有機(jī)半導(dǎo)體因其柔韌性、輕質(zhì)和溶液可加工性等優(yōu)點(diǎn)，在柔性電子、半透明光伏等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。然而，其分子間作用力較弱，易在薄膜中形成無(wú)序聚集結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致能量無(wú)序度較高，成為制約器件性能提升的關(guān)鍵瓶頸。針對(duì)這一挑戰(zhàn)，四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院程沛研究員/王嘉宇副研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京大學(xué)周歡萍教授團(tuán)隊(duì)，創(chuàng)新性地提出了一種利用鄰苯二甲酸酯類分子作為“組裝誘導(dǎo)劑”的策略，通過(guò)調(diào)控有機(jī)半導(dǎo)體側(cè)鏈的相互作用，有效提升了分子堆積的有序性，顯著降低了材料的能量無(wú)序度，進(jìn)而顯著改善了器件性能，對(duì)于制造高性能的有機(jī)電子器件具有重要的研究意義。相關(guān)成果以《Suppressing Energetic Disorder of Organic Semiconductors for Semitransparent Photovoltaics and Thin-Film Transistors》為題發(fā)表在Advanced Materials上。
研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一系列鄰苯二甲酸酯類的組裝誘導(dǎo)劑，發(fā)現(xiàn)組裝誘導(dǎo)劑在多種p型有機(jī)聚合物半導(dǎo)體中均存在一定的普適性，并通過(guò)多種表征手段，從分子到器件層面系統(tǒng)研究了組裝誘導(dǎo)劑的作用機(jī)理。以組裝誘導(dǎo)劑鄰苯二甲酸二辛酯（DOP）和p型有機(jī)聚合物半導(dǎo)體PM6為例，紫外-可見(jiàn)吸收光譜表明，經(jīng)DOP處理后，PM6薄膜的0-0/0-1峰強(qiáng)度比提升，吸收半高寬收窄11%，吸收拖尾被顯著抑制，這一定程度上表明了分子排列有序度的提高。掠入射廣角X射線散射結(jié)果表明，組裝誘導(dǎo)劑顯著增強(qiáng)了PM6聚合物的層狀堆積和π-π堆疊有序性，相干長(zhǎng)度大幅增加。分子動(dòng)力學(xué)模擬進(jìn)一步揭示，DOP分子分布于PM6堆積簇周圍，通過(guò)與側(cè)鏈相互作用，誘導(dǎo)分子骨架形成更具序性的長(zhǎng)程排列。光熱偏轉(zhuǎn)光譜證明，經(jīng)過(guò)DOP處理后，PM6薄膜的烏爾巴赫能從98.0 meV顯著降低至74.6 meV，降低了24%，標(biāo)志著能量無(wú)序性得到了有效抑制。
有序性的提升為器件性能帶來(lái)了明顯的提高。在有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，DOP處理將基于PM6的器件的平均空穴遷移率從0.15 cm2 V−1 s−1提升至0.20 cm2 V−1 s−1，增幅達(dá)33.3%。在應(yīng)用前景廣闊的半透明有機(jī)太陽(yáng)能電池中，該策略展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：器件在維持13.7%光電轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)，平均可見(jiàn)光透過(guò)率由30.4%提升至33.8%。這主要?dú)w因于更有序的分子堆積導(dǎo)致吸收光譜半高寬收窄、吸收拖尾減弱，使得器件在視覺(jué)上更透明。進(jìn)一步的器件物理分析表明，器件吸光變少但光電流基本不變?cè)从陔p分子復(fù)合受到抑制、電荷載流子壽命延長(zhǎng)以及電荷提取能力的增強(qiáng)。最終，電池獲得了高達(dá)4.63%的光利用效率，為目前無(wú)光學(xué)結(jié)構(gòu)半透明有機(jī)太陽(yáng)能電池的最高值之一。該工作不僅提出了一種簡(jiǎn)單、通用且高效的新方法抑制有機(jī)半導(dǎo)體的能量無(wú)序，還從分子相互作用的層面深化了對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體聚集行為的理解，為制備高性能有機(jī)電子器件開(kāi)辟了新途徑。
該論文的第一作者為高分子科學(xué)與工程學(xué)院博士生胡穎玥，通訊作者為王嘉宇副研究員、周歡萍教授和程沛研究員。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、四川省科技計(jì)劃、先進(jìn)高分子材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等的資助，并獲得了北京同步輻射裝置、四川大學(xué)分析測(cè)試中心等的支持。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202515077
來(lái)源：川大高分子
