论文概览
有机太阳能电池(OSCs)因轻量、柔性和溶液加工性优势，成为清洁能源领域的新宠。然而，聚合物给体材料PM6存在致命痛点：高分子量PM6(HWPM6)效率高但批次差异大，难以量产;低分子量PM6(LWPM6)批次稳定性好、成本低，但效率不足(仅17.35%)。针对这一问题，浙江大学陈红征团队创新性地采用三聚体受体TYT-S与分子静电势协同策略，成功优化低分子量聚合物PM6太阳能电池性能。该方案通过调控垂直相分布使激子解离位置向阴极偏移4.5 nm，并延长分子预聚集时间33%，实现效率突破20.12%，较二元体系提升30%。柔性器件经3000次弯折仍保持76%初始效率，20.25 cm²大面积模块效率达16.4%，同步解决低分子量材料效率不足与批次不稳定的产业化瓶颈，为有机光伏商业化提供新范式。该研究以“Ternary Strategy and Molecular Electrostatics Collaboratively Optimize Low-Molecular-Weight Polymer Donor Organic Solar Cells: Over 20% Efficiency and High Scalability”为题发表在顶级期刊Advanced Materials上。
技术亮点
1.高静电势差受体设计：三聚体TYT-S静电势差达21.28 kcal/mol(Y6仅6.89)，强偶极作用优化给受体互穿网络，实现精细相分离。
2.垂直相分布精准调控：诱导活性层顶部受体富集，激子解离位点向阴极偏移4.5nm，电荷传输效率提升30%。
3.成膜动力学协同优化：延长分子预聚集时间33%，提升π-π堆叠有序性(相干长度4.22→4.33nm)，破解低分子量材料结晶缺陷难题。
研究意义
✅破解产业化核心矛盾：攻克低分子量聚合物效率低(17.35%→20.12%)与批次不稳定的难题，为量产扫除障碍;
✅开辟柔性应用新场景：链段运动特性使器件弯折3000次效率保持76%，显著优于高分子量体系(57%)，推动可穿戴能源发展;
✅重构低成本制造路径：LWPM6溶液加工性优势支撑20cm²级模块效率>16%，降低大面积印刷工艺门槛，加速商业化落地。
深度精读
图1：分子设计原理
图1a展示PM6、Y6及三聚体TYT-S的化学结构，其中TYT-S的三臂设计是静电调控关键。通过DFT计算揭示TYT-S的分子静电势差高达21.28 kcal/mol(Y6仅6.89 kcal/mol)，其电势分布于三臂末端(红色区域)，与PM6的缺电子主链(蓝色)形成强偶极相互作用，驱动分子有序组装。能级排列显示LWPM6/HWPM6的HOMO(-5.41/-5.43 eV)与Y6/TYT-S的LUMO(-4.10/-3.98 eV)形成理想阶梯，保障激子高效解离。紫外光谱证实三元薄膜在700-900 nm实现互补吸收(Y6峰830nm，PM6峰710nm)，协同提升光子捕获能力，为高效电流生成奠定基础。
图2：形貌与结晶调控
原子力显微镜(AFM)分析表明，三元共混膜表面粗糙度显著降低(LWPM6二元体系1.13 nm → 三元体系1.07 nm)，且纤维直径分布收窄，形成更精细的互穿网络结构。同步辐射掠入射广角X射线散射(GIWAXS)进一步揭示：三元体系中层状堆积有序性提升，(100)衍射峰从q=2.58 nm⁻¹位移至2.43 nm⁻¹(层间距增大);π-π堆叠相干长度由4.22 nm增至4.33 nm(半峰宽缩窄至2.59 nm⁻¹);边缘取向分子比例减少，面取向主导的分子排列占优，为电荷传输构建高效路径。
图3：成膜动力学
原位吸收光谱实时追踪显示，TYT-S的引入显著改变LWPM6成膜动力学进程：二元体系中受体/给体成核时间窗分别为0.20秒(t=0.36-0.56s)与0.12秒(t=0.4-0.52s)，而三元体系通过分子预聚集作用将两者扩展至0.24秒(t=0.28-0.52s)和0.16秒(t=0.32-0.48s)，成膜周期延长33%。这种延滞效应促进分子有序堆叠，使晶体生长速率减缓(HWPM6体系亦呈现类似规律)，从而抑制粗大纤维生成，最终形成精细相分离形貌与高结晶度活性层，为高效电荷传输奠定基础。
图4：垂直相分布优化
薄膜深度依赖吸收光谱(FLAS)显示，三元体系在700-900 nm波长区激子生成强度显著高于二元体系(图4a)，其中LWPM6三元膜在近红外区激子密度提升尤为显著。深度组分分布分析(图4b)揭示LWPM6三元活性层呈现明确的"顶部受体富集"特征(阴极侧Y6/TYT-S浓度梯度增加)，而二元体系则为均匀混合;这种垂直相分布优化使激子解离位点从二元体系的52.3 nm偏移至阴极邻近的48.8 nm，缩短空穴传输路径4.5 nm，有效平衡载流子迁移，同时激子生成率峰值提升30%，为高效电荷收集提供核心保障。
图5：器件性能飞跃
光伏性能测试显示，LWPM6三元器件开路电压提升至0.854 V(二元0.844 V)，短路电流密度跃增至27.73 mA/cm²(二元26.98 mA/cm²)，填充因子突破79.38%，推动效率达19.23%(较二元体系提升30%)。外量子效率(EQE)曲线在300-900 nm全域响应增强(图5b)，积分电流误差<5%验证数据可靠性。激子扩散长度表征证实三元体系扩散距离由23.7 nm延伸至27.5 nm，结合瞬态吸收测得空穴转移动力学加速(τ₁从0.37 ps缩短至0.22 ps)，非辐射复合损失降低使电致发光量子效率提升至5.74×10⁻⁴，共同构成效率突破的核心机制。
图6：产业化验证
柔性器件测试表明，LWPM6三元体系在4mm弯折半径下经历3000次循环后仍保留76%初始效率，显著优于HWPM6体系(57%)，其链段运动特性有效分散机械应力(FF衰减率降低40%)。同步开发的大面积模块(20.25 cm²)实现开路电压7.606 V与填充因子74.46%，效率达16.40%，与HWPM6模块(16.64%)共列同面积顶级水平，证实低分子量材料在溶液加工性、机械稳定性与规模化生产中的综合优势。
文献来源
Yaxin Yang, Lu Wei, Hongzheng Chen*, et al. Ternary Strategy and Molecular Electrostatics Collaboratively Optimize Low-Molecular-Weight Polymer Donor Organic Solar Cells: Over 20% Efficiency and High Scalability, Advanced Materials, 2025, e10980.
https://doi.org/10.1002/adma.202510980.
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