芳香侧链修饰对苯并二噻吩基有机太阳能电池光电性能及光伏特性的影响机制研究

本研究针对有机太阳能电池(OSC)中给体材料性能优化难题，通过Stille偶联合成三种含苯基(P1)、噻吩基(P2)和噻吩并噻吩基(P3)侧链的2D-苯并二噻吩(BDT)共轭聚合物，结合苯并三唑(BTz)受体单元和硒吩π桥构建D-A体系。研究发现噻吩基修饰的P2具有最优光伏性能(PCE=4.34%，JSC =10.08 mA/cm2 )，其活性层形貌与PC71 BM形成互穿网络结构，为侧链工程优化OSC性能提供重要依据。

　　

在应对全球气候变化的背景下，太阳能作为清洁能源的代表备受关注。有机太阳能电池(OSC)因其可溶液加工、柔性器件和材料结构可调等优势，成为传统硅基电池的有力补充。然而，OSC的核心挑战在于如何通过分子设计同时实现宽光谱吸收、高效电荷分离和理想活性层形貌。其中，给体材料的开发尤为关键——作为光生激子的主要来源，其分子结构直接影响器件的光伏参数(V_OC
、J_SC
、FF)和最终能量转换效率(PCE)。

苯并二噻吩(BDT)作为OSC领域最成功的给体单元之一，其二维(2D)结构可通过芳香侧链修饰调控电子结构和分子堆积行为。既往研究表明，噻吩基修饰的2D-BDT能有效降低HOMO能级提升V_OC
，但不同芳香侧链对活性层形貌的影响机制尚不明确。为此，来自国内的研究团队设计合成三种2D-BDT基共轭聚合物，系统研究苯基、噻吩基和噻吩并噻吩基侧链对材料性能的影响规律，相关成果发表于《Synthetic Metals》。

研究采用Stille偶联法合成聚合物，通过核磁共振和质谱确认结构；利用紫外-可见光谱测定光学带隙(1.73-1.79 eV)，循环伏安法分析电化学性质；采用原子力显微镜和透射电镜表征活性层形貌；最终以PC₇₁
BM为受体构建本体异质结器件，在AM1.5G光照下测试光伏性能。

热学性质分析显示所有聚合物热分解温度(T_d
)均超过435°C，表明材料具备良好的热稳定性。光学与电化学特性研究发现，随着侧链共轭程度增加(P1→P3)，光学带隙逐渐减小(1.79→1.73 eV)，其中噻吩基修饰的P2表现出最优的电荷传输性能。光伏性能测试表明，P2:PC₇₁
BM体系获得最高PCE(4.34%)，其J_SC
(10.08 mA/cm²
)和FF(64%)显著优于苯基(P1)和噻吩并噻吩基(P3)体系。形貌研究揭示P2能形成更均匀的纳米纤维网络结构，与PC₇₁
BM产生理想相分离，这归因于噻吩侧链促进的分子平面性和π-π堆积。

该研究证实侧链共轭程度并非越高越好——虽然噻吩并噻吩基(P3)进一步缩小带隙，但过大的空间位阻反而破坏分子有序性。噻吩基(P2)在共轭扩展与分子堆积间取得最佳平衡，其优化的活性层形貌促进激子解离和电荷收集。这一发现为高性能给体材料设计提供重要指导：通过精确控制侧链结构，可协同调控电子能级、光吸收和相分离行为。

特别值得注意的是，研究团队采用硒吩作为π桥的创新设计。相比传统噻吩桥，硒原子更大的半径增强醌式共振效应，使主链更平面化从而提升电荷迁移率。这种"侧链工程+桥联优化"的双重策略，为突破OSC效率瓶颈提供了新思路。尽管4.34%的PCE与当前顶尖水平仍有差距，但工作揭示的分子结构-性能关系对开发新型窄带隙材料具有普适性意义。未来通过引入非富勒烯受体或三元共混策略，有望进一步释放这类材料的性能潜力。