高效有机光伏材料PTz3TE：基于噻唑并噻唑-三联噻吩骨架的战略性设计与简易合成

（编辑推荐）本文报道了一种新型聚合物给体PTz3TE，通过巧妙设计噻唑并噻唑-三联噻吩骨架和酯基侧链，仅需7步合成且无需超低温反应（VLT）和柱层析纯化（SGC），实现了18%的功率转换效率（PCE）。该研究创新性提出改良合成复杂度（mSC）评估体系，证实PTz3TE是目前性能-成本平衡最优的有机光伏（OPV）材料之一，为产业化应用提供了重要参考。

　　

有机光伏领域迎来重大突破！一项发表于《Advanced Energy Materials》的研究展示了一种名为PTz3TE的革命性聚合物给体材料，其独特的分子设计和简化的合成路线正在重新定义高性能有机太阳能电池的产业化标准。

分子设计策略：简约而不简单

PTz3TE的创新性在于其精妙的分子结构——以噻唑并噻唑为受体单元、三联噻吩为给体单元构建的刚性骨架，配合2-己基癸基酯侧链。这种设计产生了三重协同效应：1）分子内非共价相互作用（硫...氮和氧...硫）确保骨架共平面性；2）电子贫乏的噻唑并噻唑环与吸电子酯基协同降低HOMO能级至-5.54 eV；3）长支链烷基赋予材料优异的溶解性（>20 g/L）。理论计算显示，这种"推-拉"结构形成的偶极-偶极相互作用，使材料兼具良好的电荷分离和传输特性。

合成工艺的革命性突破

研究团队开创性地开发出仅需7步的合成路线，所有中间体均可通过重结晶等绿色方法纯化，完全规避了传统合成中的两大痛点：1）低于-30°C的超低温反应（NLT=0）；2）硅胶柱层析纯化（NCC=0）。关键突破包括：1）室温下锂化反应实现3-噻吩甲酸甲酯化；2）二硫代乙二酰胺环化构建噻唑并噻唑核心；3）最终单体纯度经HPLC验证达99.5%。与主流给体材料相比，PTz3TE的改良合成复杂度（mSC）仅19.5，远低于PM6（70.4）和D18（86.0）等高性能聚合物。

卓越的光伏性能表现

在器件构型为ITO/2PACz/活性层/PNDIT-F3N/Ag的电池中，PTz3TE展现出令人惊艳的性能：1）与PC₆₁BM组合实现9.3%的PCE（J_SC=14.7 mA/cm²，V_OC=0.911 V）；2）搭配新型非富勒烯受体Y12时效率跃升至17.3%；3）引入15% PC₆₁BM构成三元体系后，效率进一步提升至18%。二维掠入射X射线衍射（2D-GIXD）揭示其face-on取向的π-π堆积距离仅3.54 ?，相干长度达30 ?，这种高度有序的分子排列是获得高载流子迁移率（5-7×10^-4 cm²/Vs）的关键。

产业化应用前景评估

研究提出的性能-成本平衡指数（A-FOM）显示：PTz3TE/Y12体系的A-FOM值仅3.32，显著优于PTQ10（3.30）和PTVT-T（3.04）等简化结构聚合物。加速老化测试表明，倒装结构器件在65°C下保持初始性能超过2500小时，展现出优异的操作稳定性。这种"高性能-低成本-易制备"的三重优势，使PTz3TE成为目前最具商业化潜力的OPV材料之一。

这项研究不仅提供了一种具体的材料解决方案，更重要的是建立了评估光伏材料产业化潜力的新标准——通过分子设计、合成简化与性能优化的三位一体策略，为有机光伏的大规模应用铺平了道路。未来，该设计理念可延伸至其他有机电子器件领域，推动整个绿色能源技术的发展。