D18三元共聚物类似物通过平衡电荷迁移率和抑制非辐射能量损失提升有机太阳能电池性能

研究人员通过氟化侧链工程优化宽禁带聚合物给体D18，引入BDT-4F第三组分合成系列三元共聚物（D18-4F-x）。研究发现，随着BDT-4F含量增加，HOMO能级逐步降低，π-π堆叠距离增大，非辐射能量损失（ΔEnr）显著抑制。其中D18-4F-10:Y6器件实现18.11%的功率转换效率（PCE），较D18:Y6（16.89%）显著提升，为高效有机太阳能电池（OSCs）设计提供新策略。

　　

有机太阳能电池（OSCs）因其溶液可加工性、柔性和低成本等优势，成为可再生能源领域的研究热点。然而，如何平衡器件中的电荷迁移率并降低非辐射能量损失（ΔE_nr）仍是提升效率的关键挑战。D18作为宽禁带聚合物给体的代表，虽与Y6受体搭配可取得较高效率，但其能级和分子堆积特性仍有优化空间。

为解决这一问题，甘肃工业指导项目等资助的研究团队通过引入含四氟噻吩的第三组分BDT-4F，采用Stille偶联合成了一系列D18三元共聚物类似物（D18-4F-5至D18-4F-100）。通过调控BDT-4F的投料比（5%-100%），系统研究了氟化程度对材料性能和器件效率的影响。

关键技术方法
研究通过核磁共振（¹H NMR）表征单体结构，紫外-可见光谱（UV-Vis）分析薄膜吸收特性，循环伏安法测定HOMO能级，X射线衍射（XRD）观测分子堆积行为，并构建了以Y6为受体的非富勒烯有机太阳能电池（NFAs-OSCs），通过电流密度-电压（J-V）曲线和外部量子效率（EQE）测试评估器件性能。

研究结果

1. 合成与结构表征：成功制备了BDT-4F含量从5%至100%的系列聚合物，其固态吸收光谱与D18相近，但HOMO能级从-5.55 eV逐步降至-5.62 eV。
2. 分子堆积行为：XRD显示随着BDT-4F含量增加，π-π堆叠距离从3.58 ?增至3.72 ?，而层间距离（d-interlayer）从18.6 ?减至17.9 ?，表明氟原子诱导的分子间相互作用增强。
3. 器件性能：D18-4F-10:Y6器件表现出最优性能，PCE达18.11%，开路电压（V_OC）提升至0.876 V，ΔE_nr显著降低至0.18 eV。相较D18:Y6（PCE=16.89%），其电荷双分子复合抑制和载流子迁移率平衡性更优。

结论与意义
该研究通过精准的氟化侧链工程，实现了对D18聚合物能级和分子堆积的协同调控。D18-4F-10的优异性能归因于：① 更深的HOMO能级提升V_OC；② 优化的π-π堆叠促进电荷传输；③ 氟原子抑制三重态激子形成，降低ΔE_nr。这项工作为通过三元共聚策略设计高效OSCs材料提供了新思路，相关成果发表于《Dyes and Pigments》。

讨论延伸
研究还指出，过量BDT-4F（如D18-4F-100）会导致填充因子（FF）从76.29%骤降至53.11%，表明氟化程度需精确控制。未来可进一步探索其他氟化单元或共混策略，以突破20%效率瓶颈。