基于9H-咔唑-3-基二噻吩并[3,2-f:2',3'-h]喹喔啉的宽带隙共聚物P144在三元非富勒烯受体有机太阳能电池中的应用研究

本研究针对有机太阳能电池(OSCs)中宽光谱吸收不足的问题，通过设计新型A-D-A'-D型宽带隙共聚物P144，结合窄带隙非富勒烯受体Y6，实现了17.11%的三元器件效率。该工作创新性地采用直接芳基化聚合法简化合成工艺，显著提升电荷传输平衡性并降低复合损失，为低成本环境友好型OSCs开发提供新思路。

　　

随着全球对清洁能源需求的日益增长，有机太阳能电池(OSCs)因其柔性、轻质和可溶液加工等优势成为研究热点。然而，传统OSCs面临两大瓶颈：一是活性层材料在短波长区域(低于450nm)吸收系数不足，导致太阳光利用率低；二是高性能聚合物通常需要复杂的多步合成工艺，推高了生产成本。这些限制严重制约着OSCs的商业化进程。

针对这些挑战，俄罗斯科学院的研究团队创新性地设计出新型宽带隙共聚物P144。该材料采用独特的A-D-A'-D结构，包含弱电子受体单元咔唑取代的二噻吩并喹喔啉(DTQx)和强受体苯并二噻吩二酮(BDD)，通过噻吩单元桥接形成共轭骨架。与明星材料PM6相比，P144展现出更深的最高占据分子轨道(HOMO)能级(-5.42eV)和更大的偶极矩(12.2D)，这些特性使其在OSCs中表现出更高的开路电压(V_OC)。相关成果发表在《Optical Materials》上。

研究团队采用直接芳基化聚合法(DArP)合成P144，避免了传统Stille偶联法对有毒锡试剂的需求。通过核磁共振(¹H/¹³C NMR)和元素分析确认结构后，系统表征了材料的光电性能。在器件制备方面，采用环境空气加工工艺，分别构建了P144:Y6二元体系和PM6:P144:Y6三元体系器件，通过电流密度-电压(J-V)测试、外量子效率(EQE)谱、瞬态光电压等分析手段评估性能。

Synthesis of P144
通过五步反应合成关键单体M1，其¹H NMR在8.73-7.13ppm区间显示典型芳香质子信号。DArP法合成的P144数均分子量达42kDa，优于传统方法，证实该策略在简化工艺方面的优势。

Optical and electrochemical properties
紫外可见吸收光谱显示P144在300-550nm有强吸收，与Y6的吸收形成互补。循环伏安法测定其HOMO能级较PM6深0.12eV，这理论上可使V_OC提高0.1V以上。

Device performance
二元器件P144:Y6获得13.48%效率(V_OC=0.87V)，虽低于PM6:Y6的14.81%，但V_OC提高30mV。引入P144作为第三组分后，三元器件效率跃升至17.11%，这归因于：1)电荷传输平衡性改善，电子/空穴迁移率比值从2.1降至1.3；2)复合损失降低，瞬态光电压寿命延长1.8倍；3)π-π堆叠距离缩短至3.6?；4)P144向PM6的能量转移效率达92%。

Conclusions
该研究通过分子设计创新和合成工艺优化，成功开发出具有应用前景的OSCs材料体系。P144的独特价值体现在三方面：首先，其深HOMO能级为突破OSCs的电压瓶颈提供新思路；其次，DArP法的成功应用为绿色合成树立典范；最重要的是，作为"guest donor"时展现出的协同效应，为三元体系设计提供了普适性策略。这些发现不仅推动OSCs效率边界，更在降低生产成本方面具有重要产业化意义。