硒吩-乙烯-硒吩π桥高效聚合小分子受体在有机太阳能电池中的应用研究

本研究针对聚合物小分子受体(PSMAs)中π桥结构对光伏性能的影响问题，设计合成以硒吩-乙烯-硒吩(SVS)为π桥的新型材料PYSVS。相比噻吩类似物PYTVT，PYSVS具有更优的平面性、吸收范围及电荷迁移率，器件效率(PCE)提升至15.26%，短路电流密度(JSC)达26.17 mA cm-2，为高JSC光伏材料设计提供新策略。

　　

有机太阳能电池(OSCs)领域近年来因非富勒烯受体的突破而迅猛发展，其中兼具小分子精确结构和聚合物加工优势的聚合物小分子受体(PSMAs)成为研究热点。然而，如何通过分子设计进一步提升PSMAs的光伏性能仍是关键挑战，特别是π桥结构对材料光电特性的调控机制尚不明确。传统噻吩类π桥虽广泛应用，但其电子云局域性强、带隙调控有限，而硒吩(selenophene)因硒原子的强极化特性可显著改善分子轨道重叠，却因成本问题鲜少被系统研究。

针对这一科学问题，山东师范大学等机构的研究人员创新性地采用硒吩-乙烯-硒吩(SVS)作为π桥，设计合成新型PSMA材料PYSVS，并与传统噻吩-乙烯-噻吩(TVT)为π桥的PYTVT进行对比研究。通过核磁共振(¹H NMR)和热重分析(TGA)验证材料结构，结合紫外-可见吸收光谱、电化学测试、空间电荷限制电流(SCLC)法及器件性能测试等手段系统分析。

合成与表征
两种材料均表现出良好的热稳定性，5%热失重温度超过300℃。吸收光谱显示PYSVS薄膜在544 nm处出现独特强吸收峰，且吸收边(λ_onset)红移至886 nm，光学带隙(E_g^opt)较PYTVT缩小。电化学测试表明SVS桥使最高占据分子轨道(E_HOMO)和最低未占分子轨道(E_LUMO)能级同步上移。

光伏性能
基于PYSVS的器件获得15.26%的光电转换效率(PCE)，显著高于PYTVT的13.21%。关键参数分析显示，SVS桥使短路电流密度(J_SC)从22.50提升至26.17 mA cm^-2，这归因于更强的光捕获能力和更高的电荷迁移率(μ_h/μ_e达3.31×10^-4/2.88×10^-4 cm² V^-1 s^-1)。瞬态光电压测试证实PYSVS具有更长的电荷复合寿命，外量子效率(EQE)谱在300-850 nm范围内均超过75%。

结论与意义
该研究首次阐明SVS π桥可通过增强分子平面性、拓宽吸收光谱、优化能级排列三重机制协同提升PSMAs性能。相比复杂硒吩衍生物，SVS结构简单且成本可控，所实现的26.17 mA cm^-2超高J_SC刷新了同类材料记录。这项工作不仅为高电流型光伏材料设计提供新思路，也为硒吩基材料在低成本OSCs中的应用开辟了道路。