π桥工程调控D-π-A型聚合物给体对不同电子受体的光伏性能影响机制研究

本研究针对有机太阳能电池(OSCs)中D-π-A型聚合物给体与不同电子受体（小分子Y6/聚合物N2200）的匹配难题，通过将π桥从噻吩替换为苯并[3,2-b]噻吩(TT)，系统探究了π桥工程对材料相容性、薄膜形貌及器件性能的调控机制。研究发现TT桥聚合物PE3与Y6形成理想互穿网络结构，实现16.63%的冠军效率(PCE)，而噻吩桥J52-F更适配N2200（PCE=8.99%），揭示了π桥选择对非富勒烯/全聚合物体系的关键作用。

　　

在追求清洁能源的时代背景下，有机太阳能电池(OSCs)因其柔性、轻质和可溶液加工等优势备受关注。尽管基于Y系列非富勒烯受体(NFA)的器件效率已突破19%，但能与之高效匹配的给体聚合物寥寥无几，尤其是D-π-A型聚合物中π桥的结构调控机制尚不明确。更棘手的是，现有研究多聚焦于小分子受体体系，而对全聚合物体系（如N2200）的适配规律鲜有涉及。这种"受体依赖型"材料设计盲区，严重制约了OSCs的多元化发展。

为解决这一难题，中国科学院化学研究所的研究团队在《Dyes and Pigments》发表重要成果。他们以苯并三唑(BTA)为受体单元，分别构建噻吩桥聚合物J52-F和TT桥聚合物PE3，通过对比其与Y6/N2200的组合性能，首次揭示了π桥结构对不同受体体系的差异化调控机制。研究发现TT桥赋予PE3优异的平面性和温度依赖性聚集行为，使其与Y6形成纳米级互穿网络，电荷迁移率提升至10^-3
cm²
V^-1
s^-1
量级，非辐射复合损失降低至0.21 eV，最终实现16.63%的PCE。而传统噻吩桥J52-F则因与N2200更强的相容性，在全聚合物体系中展现8.99%的更优效率。这项研究为受体特异性材料设计提供了分子工程新范式。

关键技术方法包括：1) Stille偶联合成TT桥聚合物PE3；2) 凝胶渗透色谱(GPC)测定分子量(PE3: M_n
=56.6 kDa)；3) 紫外-可见光谱分析聚集行为；4) 原子力显微镜(AFM)和透射电镜(TEM)表征薄膜形貌；5) 空间电荷限制电流(SCLC)法测量载流子迁移率；6) 电致发光(EL)光谱量化能量损失。

【合成与表征】
通过Stille偶联反应成功制备TT桥聚合物PE3，其分子量(M_n
=56.6 kDa)显著高于J52-F(30.0 kDa)。差示扫描量热法(DSC)显示PE3在220℃出现明显熔融峰，证实TT桥增强了结晶性。紫外吸收光谱中PE3在薄膜状态出现红移27 nm的J聚集峰，而溶液状态下Y6混溶体系出现激子耦合峰，预示二者具有理想的前驱体相互作用。

【光伏性能】
在Y6体系中，PE3:Y6器件获得16.63%的PCE，开路电压(V_OC
)=0.85 V，显著优于J52-F:Y6(12.75%)。而在N2200体系中，J52-F:N2200以8.99%的PCE反超PE3:N2200(3.75%)。外量子效率(EQE)谱显示PE3:Y6在300-900 nm范围内均保持>75%的高响应，对应23.72 mA cm^-2
的短路电流密度(J_SC
)。

【形貌与传输】
AFM显示PE3:Y6具有20-30 nm的理想相分离尺寸，而J52-F:Y6出现>100 nm的过度聚集。SCLC测试表明PE3:Y6的空穴/电子迁移率分别达2.31×10^-3
和1.98×10^-3
cm²
V^-1
s^-1
，平衡性(μ_h
/μ_e
=1.17)优于J52-F体系。

【能量损失分析】
电致发光量子效率(EQE_EL
)测试表明，PE3:Y6的非辐射损失(ΔE₃
)=0.21 eV，较J52-F:Y6降低0.07 eV。但在N2200体系中，PE3因能级紊乱导致辐射损失增加，使V_OC
与J52-F相当。

这项研究开创性地证实：π桥工程需根据受体类型"量体裁衣"。TT桥通过增强平面性和调控聚集行为，特别适合Y6等小分子受体，而传统噻吩桥在全聚合物体系中仍具优势。该发现不仅解释了PM6、D18等明星给体与Y系列受体高效匹配的结构基础，更为开发"受体定制型"聚合物提供了π桥选择的金标准。未来通过精准设计π桥结构，有望实现OSCs在柔性电子、建筑光伏等场景的差异化应用突破。