复杂刚柔嵌段共聚物的自组装微结构及其光伏性能

The microstructures of complex rod-coil block copolymers have extensive applications in optoelectronic devices, such as the polymer solar cells, where the corresponding self-assembly mechanism is an important problem in the polymer theory. Here, we use various numerical simulation methods to investigate the self-assembled microstrcutures of complex rod-coil block copolymers and the corresponding photovoltaic performances.On the one hand, we apply the self-consistent field theory simulation method based on the wormlike chain model to investigate the microstructures of linear and star rod-coil triblock copolymers with various Flory-Huggins interactions, orientation interactions, volume fractions and chain rigidities between the blocks. We explore the phase transition and forming mechanism of complex rod-coil triblock copolymers by constructing the phase diagrams with the corresponding polymer parameters. On the other hand, we use the drift-diffusion model based on multi-donors-acceptors to numerically calculate the relationship between the current densities and voltages for the microstructures, and furthermore obtain the photovoltaic performances of these microstructures (i.g.,the short-circuit current densities, fill factors and photovoltaic efficiency) by obtaining the various parameters(i.g.,orientation order parameters, morphologies of phase separation interfaces) and setting the material parameters (i.g.,the permittivities of the medium, mobilities of electrons and holes). This research not only provides a straightforward help for designing and fabricating the high-performance devices, such as the orangic solar cells, but also deepens the understanding for the self-assembly mechanism of complex rod-coil macromolecules.

刚柔嵌段共聚物的微结构不但在聚合物太阳能电池等光电子器件方面有诱人的应用前景，而且其自组装机理也是聚合物理论中的一个重要问题。本项目拟采用不同的数值模拟方法来分别研究复杂刚柔嵌段共聚物微结构的自组装机理和光伏性能。一方面，采用基于蠕虫状链模型的自洽场理论模拟方法来研究具有不同聚合物参数(嵌段间的排斥相互作用、空间取向相互作用、体积分数和刚柔性等)的线型和星型刚柔三嵌段共聚物的微相结构，通过构建相应参数的相图，探索这些参数协同诱导微结构的形成与转变机理。另一方面，通过采集结构参数(空间取向序参量、相分离界面形状等)和设置材料参数(介电常数、电子与空穴的迁移率等),利用多供体-受体的迁移-扩散模型来数值计算这些微结构的伏安特性，进而求解其短路电流、填充因子、光电转换效率等光伏性能。研究成果将有助于人们深入理解复杂刚柔高分子体系的自组装机理，并为制作高性能有机太阳能电池等器件提供直接的理论帮助。

复杂刚柔嵌段聚合物的微结构在聚合物太阳能电池以及生物传感器等方面具有诱人的应用前景，从而受到人们的广泛关注。但是，其微结构的自组装机理比较复杂，是聚合物理论的一个重要问题。本项目采用计算机模拟方法求解复杂刚柔嵌段聚合物的微结构及其相关的物理性能。首先，对半刚性-刚性的刚柔二嵌段共聚物的微结构进行了研究，通过调节半刚性嵌段的持久长度，获得了一系列的微结构，包括具有特定的取向的六角对称圆柱或椭圆柱和层状结构，并得到了基于取向参数和持久长度的相图；其次，对刚性-半刚性-刚性、柔性-半刚性-柔性线型三嵌段共聚物的微结构进行了研究。研究结果表明，对于刚性-半刚性-刚性线型系列，当调节其中间嵌段的持久长度时，微结构从四角对称的四角柱状结构转变为两种类型的交错层状结构，进而转变为层状结构；对于柔性-半刚性-柔性线型系列，当调节其中间嵌段的持久长度时，微结构则从六角对称的圆柱结构转变为蜂窝状结构，进而转变为波浪状和拉链状结构；同时我们还获得了这两个系列的结构的相图，分析了它们的取向性质等物理性质。再次，对刚性-刚性-半刚性星型三嵌段共聚物的微结构进行了研究。通过对星型三嵌段刚柔聚合物设置固定的嵌段刚柔性并改变其链长度，获得了一系列新颖的微结构。当三个嵌段长度比例较大时，微结构大多呈现为实心和空心球状结构、实心柱状结构，当三嵌段比较长时，则部分能形成层状结构以及网络状的复杂结构。同时，我们还获得了这些结构按照链长度排列的相图，并对相图的特征进行了总结。我们还对结构的形成路径进行了研究，发现初态对结构形成至关重要，获得了相关的物理性能。这些结果对基于聚合物的微结构应用具有重要的作用和潜在的应用前景。这些结果经过总结，形成了10篇SCI论文发展在国内外专业期刊上，其中Soft Matter 1篇，J.Chem.Phys. 2篇，Phys.Chem.Chem.Phys 1篇，Polymer 3篇。