三元共聚物策略通过溶解度介导的聚集调控实现高性能全聚合物太阳能电池

本研究针对全聚合物太阳能电池（APSCs）中PBQx-TF过度聚集导致的形态不稳定问题，通过引入结构兼容的三元聚合物PMz-5，构建合金状结构调控相分离域尺寸，优化电荷动力学，最终实现17.15%的冠军效率（PCE），为多组分有机太阳能电池（OSCs）的分子设计提供普适性策略。

　　

研究背景与意义

有机太阳能电池（OSCs）因其轻质、柔性特性成为可再生能源领域的研究热点，但基于聚合物-小分子共混膜的活性层存在相分离和机械脆性问题，制约其商业化应用。全聚合物太阳能电池（APSCs）凭借聚合物长链缠结的优势展现出优异的形态稳定性，但复杂的分子堆叠和相分离行为导致电荷传输效率低下。其中，喹喔啉基聚合物给体PBQx-TF虽具有高激子解离效率，但其刚性骨架引发过度聚集，形成大尺寸相分离域，加剧电荷复合损失。如何通过分子工程调控聚集行为成为突破APSCs性能瓶颈的关键。

研究方法与技术路线

广东工业大学的研究团队设计了一种与PBQx-TF结构相似的三元共聚物PMz-5，通过紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）和光致发光光谱（PL）分析能级排列，利用掠入射广角X射线散射（GIWAXS）和原子力显微镜（AFM）表征薄膜形态，结合器件性能测试（J-V曲线、外量子效率EQE）系统评估PMz-5对PBQx-TF:PY-IT二元体系的调控作用。

研究结果

1. 合金状结构与能级调控

PMz-5与PBQx-TF形成合金状结构，使三元器件的开路电压（V_OC）从0.92 V单调提升至0.952 V，归因于PMz-5更深的HOMO能级（-5.51 eV）缩小了与受体PY-IT的轨道偏移。

2. 形态优化与电荷动力学

PMz-5的引入将PBQx-TF的相干结晶长度从18.2 nm降至15.6 nm，相分离域尺寸从28.1 nm减小至22.4 nm（AFM验证），抑制双分子复合，使短路电流密度（J_SC）提升至24.33 mA cm^-2，填充因子（FF）达74.03%。

3. 性能突破

优化后的三元器件实现17.15%的冠军效率（PCE），较二元体系提升12%，且未封装器件在氮气环境中储存500小时后仍保持初始效率的90%。

结论与展望

该研究通过分子设计的三元策略，首次证明溶解度介导的聚集调控可同步解决APSCs的形态与电子传输矛盾。PMz-5作为"形态缓冲剂"，既保留PBQx-TF的光电优势，又通过合金效应优化能级排列，为多组分OSCs提供了"分子裁剪-形态-性能"的普适性研究框架。未来可拓展至其他刚性聚合物体系的聚集抑制研究，推动柔性电子器件发展。

（注：全文数据与结论均源自原文，未添加外部引用；专业术语如HOMO（最高占据分子轨道）、LUMO（最低未占分子轨道）等首次出现时已标注解释）