研究内容
在高效有机太阳能电池（OSCs）的研究中，宽禁带聚合物供体材料的稀缺一直是制约其发展的关键瓶颈。近年来，尽管非富勒烯受体材料发展迅猛，但聚合物供体的更新速度与种类仍显滞后。
2025年11月10日，青岛大学刘亚辉教授、薄志山教授（国家杰青/长江学者）、路皓副教授等人在《Advanced Materials》上发表了题为“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”的研究论文。研究团队通过精准分子设计，开发出一种基于苯并[1,2-b:3,4-b′:6,5-b″]三噻吩（BTT）单元的新型宽禁带聚合物供体PBCE-2，其二元与三元器件效率分别达到19.2%与20.4%。
本研究聚焦于D-A型交替共轭聚合物的构建，通过在本征富电子的BTT单元中引入氯原子与酯基，设计出新型电子接受单元BCE。理论计算表明，BCE单元具有显著的偶极矩（1.35 D）与下移的分子轨道能级（HOMO = -6.06 eV, LUMO = -2.10 eV），其特性与经典DTBT单元相当，具备作为高效电子接受单元的潜力。在此基础上，团队选取不同侧链长度与氟含量的BDTT衍生物作为电子给体单元，烷基取代噻吩作为π桥，通过四步常规反应高效合成BCE单元，并进一步制备出PBCE系列聚合物。
初步合成的PBCE-0因聚集性强、溶解性差，限制了其加工性能。通过延长BDTT单元的烷基侧链，团队成功制备出具有良好溶液加工性的PBCE-1。为进一步调控能级并优化与受体L8-BO的匹配，研究引入非氟化BDTT单元（BDTTC₄,C₆-0F）作为第三组分，合成三元共聚物PBCE-2与PBCE-3。分子量测试显示，PBCE-2的数均分子量达89.0 kDa，分散指数为1.73，具备良好的成膜性与热加工适应性。
紫外-可见吸收光谱表明，PBCE-2在溶液与薄膜状态下均呈现明显的0-0与0-1吸收峰，且薄膜中0-0峰强度随温度升高而减弱，表现出典型的温度依赖性聚集行为。该特性有助于在成膜过程中形成理想相分离结构，提升电荷传输效率。循环伏安测试显示，PBCE-2的HOMO能级为-5.53 eV，与L8-BO的能级匹配良好，为高开路电压（VOC）提供基础。
在光伏性能方面，以PBCE-2:L8-BO为活性层的二元OSC获得了19.2%的转换效率（VOC = 0.91 V, JSC = 26.49 mA cm⁻², FF = 79.70%）。通过引入富勒烯受体PC₇₁BM构建三元器件，效率进一步提升至20.4%。系统能量损失分析表明，PBCE-2体系的非辐射复合损失（ΔEm）为0.19 eV，低于PBCE-0与PBCE-3。
为进一步揭示性能优势，团队研究了器件的激子解离、电荷收集与传输行为。PBCE-2体系的激子解离效率（Pdiss）与电荷收集效率（Pcoll）分别高达99.04%与80.44%，空穴与电子迁移率分别为1.98×10⁻⁴ cm² V⁻¹ s⁻¹与2.12×10⁻⁴ cm² V⁻¹ s⁻¹，且二者比值接近1，表明电荷传输高度平衡。光强依赖测试中，JSC与VOC的指数α与n值分别为0.998与1.07，接近理想状态，说明器件中双分子复合与陷阱辅助复合被有效抑制。
形态学表征进一步佐证了上述结论。GIWAXS测试显示，PBCE-2:L8-BO共混膜具有面朝分子堆叠结构，π-π堆叠距离为3.77 Å，层间距达23.00 Å，优于PBCE-0的紧密堆叠（3.70 Å）。AFM与TEM图像中，PBCE-2体系呈现均匀纤维状互穿网络结构，有利于电荷的高效传输与复合抑制。原位紫外-可见光谱监测成膜动力学发现，PBCE-2的液-固转变过程长达788~952 ms，显著长于其他体系，为其形成有序聚集域提供了关键时间窗口。
研究亮点
1、设计新型电子接受单元BCE，通过氯与酯基功能化增强分子极性与能级调控，为实现高效聚合物供体提供全新分子平台。
2、采用侧链工程与三元共聚策略，精准调控聚合物聚集行为与能级结构，实现高效电荷分离与传输，器件效率突破20%。
3、PBCE-2基太阳能电池在二元与三元体系中分别实现19.2%与20.4%的效率，兼具优异稳定性。
图文速览
图1 BCE单元的理论计算与电子接受潜力
图2 PBCE聚合物的合成路径及温度依赖性聚集特性
图3 PBCE-2基器件的光伏性能参数
图4 PBCE-2的有序分子堆叠与电荷传输
图5 PBCE-2薄膜的形成动力学与网络结构
研究结论
本研究通过定制化分子设计，成功开发出基于BCE单元的新型宽禁带聚合物供体PBCE-2。该材料具备优异的温度依赖性聚集特性、合适的能级结构与良好的溶液加工性，与L8-BO受体搭配实现19.2%的二元器件效率，引入PC₇₁BM后三元效率进一步提升至20.4%。系统光电与形态学表征表明，PBCE-2体系具有高效的激子解离、平衡的电荷传输与低复合概率，其纤维状互穿网络结构为高性能器件提供理想载体。该工作不仅丰富了高效聚合物供体材料库，也为OSCs的分子工程与器件优化提供了重要借鉴。
索比光伏网 https://news.solarbe.com/202511/18/50012837.html
