论文概览
在高性能有机太阳能电池（OSCs）领域，宽禁带聚合物给体材料的稀缺一直制约着器件效率的进一步提升。针对这一问题，青岛大学薄志山团队创新性地在苯并[1,2-b:3,4-b′:6,5-b′′]三噻吩（BTT）单元中引入氯原子与酯基，构建了新型电子接受单元BCE。以BDTT为给体单元、烷基取代噻吩为桥连单元，成功合成了一系列D-A型交替共轭聚合物。通过系统优化BDTT侧链长度与氟含量，最终获得聚合物给体PBCE-2，其具备优异的溶液加工性、匹配的能级与温度依赖性聚集特性。基于PBCE-2与L8-BO的二元OSC实现了19.2% 的光电转换效率（PCE）；进一步引入富勒烯受体PC₇₁BM构建三元器件后，PCE进一步提升至20.4%。PBCE-2由此成为继PM6、D18等明星材料之后，又一款进入“20%效率俱乐部”的高性能聚合物给体。该成果以"Customized Molecular Design of a Novel Wide‐Bandgap Polymer Donor Based on Benzo[1,2‐b:3,4‐b’:6,5‐b′′]Trithiophene Unit with Over 20% Solar Cell Efficiency"为题发表于顶级期刊Advanced Materials。
技术亮点
1. 分子设计策略：BCE单元通过氯原子与酯基的协同作用，实现静电势分布反转与偶极矩增强（提升至1.35 D），HOMO/LUMO能级分别降低至-6.06/-2.10 eV，接近明星单元DTBT水平。
2. 温度依赖性聚集：PBCE-2在低温成膜时形成强聚集，高温溶液加工时解聚，利于形成理想相分离形貌，实现高效电荷传输与理想膜态形貌调控。
3. 三元共聚策略：引入非氟化BDTT单元调控聚合物能级，PBCE-2的HOMO能级（-5.53 eV）与L8-BO高度匹配，激子解离效率达99.04%，电荷收集效率达80.44%。
研究意义
✅效率突破：PBCE-2:L8-BO二元体系效率达19.2%，引入PC₇₁BM后三元体系效率突破至20.4%，创下新型聚合物给体效率新高。
✅形貌调控：PBCE-2具备优异的面朝上分子堆叠（π-π堆积距离3.77 Å）与纤维状互穿网络结构，显著提升电荷传输与抑制复合。
✅策略普适性强：该BCE单元与三元共聚策略为开发高性能、可调控聚合物给体提供了全新平台。
深度精读
图1：BCE单元理论计算与能级分析
此图通过理论计算展示了新型电子接受单元BCE的静电势分布、偶极矩和能级结构。通过与母体BTT单元的对比，凸显了引入氯原子和酯基后，BCE单元的偶极矩增强、最高占据分子轨道和最低未占分子轨道能级显著降低，证明了其作为高性能聚合物给体材料电子接受单元的潜力，其特性与DTBT单元相当。
图2：BCE单元合成与聚合物表征
该图详细展示了新型电子接受单元BCE的合成路线以及四种聚合物PBCE-0至PBCE-3的化学结构。同时，通过紫外-可见吸收光谱和能级排列图，揭示了这些聚合物在溶液和薄膜状态下的光学特性以及能级结构变化，说明了侧链工程和三元共聚策略如何有效调控聚合物的溶解性、聚集行为和能级，从而影响其光物理性质。
图3：器件光伏性能与电荷行为
此图综合呈现了基于四种聚合物的有机太阳能电池的光伏性能参数和内部电荷行为。电流密度-电压曲线、外量子效率谱、电荷迁移率以及光强依赖性分析共同表明，PBCE-2基器件因其最优的激子解离效率、平衡的电荷传输和最低的电荷复合概率，从而获得了最高的短路电流密度和填充因子，展现了卓越的光电转换性能。
图4：活性层形貌与分子堆积
通过掠入射广角X射线散射、原子力显微镜和透射电子显微镜对共混薄膜的微观结构进行了深入表征。结果显示，PBCE-2基活性层具有face-on取向的分子有序堆积、适宜的π-π堆叠距离以及独特的纤维状互穿网络形貌，这种理想的微观结构是其实现高效电荷传输和收集的关键原因。
图5：薄膜形成过程原位监测
利用原位紫外-可见吸收光谱技术实时监测了活性层从溶液到薄膜的动态形成过程。时间分辨的等高线图揭示了不同聚合物体系在溶剂干燥阶段的结晶和相分离动力学差异，PBCE-2体系更长的液-固转变时间有利于形成更有序的纤维状互穿网络，这为其获得优异器件性能提供了重要的成膜动力学解释。
结论展望
本研究成功设计并合成了基于BCE单元的新型宽禁带聚合物给体PBCE-2，通过侧链工程与三元共聚精准调控其能级与聚集行为，最终在二元与三元OSC中分别实现19.2%与20.4%的高效率。该工作不仅提供了一款高性能聚合物给体材料，也为今后开发高效、可调控的聚合物给体提供了全新的分子设计平台与材料体系。
文献来源
Zhu, X., Gu, C., Liu, S., Lu, H., Wei, Y., Wan, J., Shang, B., Zheng, X., Bo, Z., Liu, Y., Customized Molecular Design of a Novel Wide‐Bandgap Polymer Donor Based on Benzo[1,2‐b:3,4‐b′:6,5‐b′′]Trithiophene Unit with Over 20% Solar Cell Efficiency. Adv. Mater. 2025, e16146.
https://doi.org/10.1002/adma.202516146.
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