《Polymer》：Synergistic steric hindrance and trifluoromethyl substitution in random terpolymer donor for efficient binary organic solar cells
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通过在中性二硫苯（BDT-F）和1,3-双(噻吩-2-基)-5,7-双(2-乙基己基)苯[1,2-c:4,5-c′]二硫苯-4,8-二酮（BDD）单元上引入三氟甲基取代的噻吩侧链，提高了聚合
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通过在中性二硫苯（BDT-F）和1,3-双(噻吩-2-基)-5,7-双(2-乙基己基)苯[1,2-c:4,5-c′]二硫苯-4,8-二酮（BDD）单元上引入三氟甲基取代的噻吩侧链，提高了聚合物供体的光伏性能。
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开发出了高性能聚合物供体PM6-CF???，其与L8-BO混合时的光电转换效率（PCE）达到了18.10%。
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研究了三氟甲基取代的噻吩侧链在相应掺杂薄膜中的作用。
引言
有机太阳能电池（OSCs）在光伏技术中代表了革命性的进展，相比传统的基于硅的设备，它们具有独特的优势，包括机械灵活性、轻质结构以及与卷对卷制造工艺的兼容性。与传统需要能耗较高的真空加工不同，OSCs可以通过室温下的溶液法制备，显著降低了生产成本，并实现了大面积应用。最近非富勒烯电子受体（NFAs）的开发，特别是Y6系列小分子，由于其优越的光吸收特性和可调的电子结构，使得单结OSCs的光电转换效率（PCE）超过了20% [1], [2], [3], [4], [5], [6]。
实现高性能NFA基OSCs的一个关键挑战在于合理设计宽带隙供体聚合物，以有效补充NFAs的光电特性。理想的供体材料必须具有适当的能量级对齐、互补的吸收光谱以及合适的掺杂薄膜形态，以促进电荷的产生和传输 [7], [8], [9], [10], [11], [12]。在各种分子工程策略中，共轭聚合物的卤化已成为调节光伏性能的强大工具 [13]。卤原子的强电负性能够精确调整聚合物供体的前沿分子轨道，提高开路电压（V?C），同时通过增强的分子间相互作用改善电荷传输 [14]。值得注意的是，它们的强吸电子性质还会在聚合物主链上产生高静电势（ESP）值。因此，可以通过调节聚合物供体和受体片段之间的分子间相互作用强度，实现适当的掺杂薄膜形态，并进一步提高器件的PCE [15], [16], [18]。
三氟甲基（CF?）取代提供了一种有吸引力的替代方案，它结合了氟的电子优势以及增强的空间构型和自组装性能 [19], [20], [21], [22], [23], [24]。三氟甲基基团的显著吸电子效应能够同时降低最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占据分子轨道（LUMO）的水平，这是实现高V?C和足够电荷分离驱动力设计原则的关键 [13]。更重要的是，三氟甲基取代基还会在共轭主链上产生显著的偶极矩，这一特性可以显著提高 neat 和掺杂薄膜中的分子堆积和结晶度 [25]。最近关于CF?-取代NFAs的研究表明，非辐射复合损失减少，这归因于陷阱状态的抑制和分子有序性的改善 [26], [27], [28], [29], [30], [31]。然而，与单一卤原子不同，三氟甲基基团引入了更大的空间障碍并降低了表面能，这显著影响了活性层的相分离 [25]。尽管取得了这些进展，但这些原理在聚合物供体系统中的应用仍需进一步探索，特别是在CF?含量、聚合物堆积行为和器件物理性质之间的相互作用方面。
本研究通过合成一种含有三氟甲基取代噻吩侧链的新型二维苯二硫苯（2D-BDT）单体（BDT-CF?）来填补这些知识空白。使用Pd催化的Stille偶联反应，将氟化的2D-BDT单体（BDT-F）和1,3-双(噻吩-2-基)-5,7-双(2-乙基己基)苯[1,2-c:4,5-c′]二硫苯-4,8-二酮（BDD）进行了三种宽带隙共聚物和三元共聚物的合成，其中BDT-CF?的含量各有不同。对这些材料进行了全面表征，以揭示控制光伏性能的潜在结构-性能关系。将BDT-CF?引入PM6后，得到了PM6-CF???和PBDB-T-CF?这两种聚合物，它们的HOMO能级分别降低了5.57和5.66 eV，光学带隙（Eg?）分别扩大了1.85和1.82 eV，并且自聚集现象逐渐减少。更重要的是，三氟甲基取代的噻吩侧链显著增加了偶极矩，并调节了聚合物主链上的静电势分布，从而调节了聚合物供体与著名NFA L8-BO之间的分子间相互作用强度。因此，在三氟甲基取代噻吩侧链的空间障碍和静电效应的协同作用下，基于PM6-CF???:L8-BO的OSCs实现了最高的PCE（18.10%），开路电压（V?C）为0.91 V，短路电流密度（JSC）为27.67 mA cm?2，填充因子（FF）为71.96%，优于PM6:L8-BO和PBDB-T-CF?:L8-BO基器件的17.77%和11.98%的PCE。这项工作表明，带有三氟甲基修饰噻吩侧链的BDT单元是高性能OSCs的有前途的电子富集构建块。
章节片段
材料和合成
单体和三种新聚合物的合成过程分别在图S1、S2和图1a中描述。这三种聚合物是在氮气氛围下通过钯催化的Stille偶联反应合成的，随后依次用甲醇、己烷、二氯甲烷和氯仿进行萃取纯化。收集到的氯仿部分用于后续表征。所有聚合物在室温下均具有良好的氯仿（CF）溶解性，确保了它们适用于器件制备。
结论
总之，这项研究表明，将三氟甲基基团战略性地引入共轭聚合物中是一种强大而多方面的策略，可以提升有机太阳能电池的性能。三氟甲基取代基在BDT噻吩侧链上的强吸电子特性有效降低了聚合物的HOMO能级，从而提高了V?C。同时，少量引入的三氟甲基取代噻吩侧链...
CRediT作者贡献声明
王倩：撰写 – 审稿与编辑，原始草案撰写，方法学设计，资金获取，数据管理，概念构思。 毕林明：原始草案撰写，实验研究，数据管理。 杨欣鹏：原始草案撰写，方法学设计，数据管理。 李壮：实验研究，数据管理。 刘玉童：实验研究，数据管理。 陈大志：实验研究，数据管理。 王军昌：撰写 – 审稿与编辑，数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所报告的工作。
致谢
我们衷心感谢以下机构的财政支持：优秀青年科学家基金（海外）（编号：2023HWYQ-062），山东省泰山学者计划（编号：tsqn202306106），湖北省科学技术厅（编号：2025SCA139），武汉市关键研发计划（编号：2025011202030397）。这项研究工作还得到了兰州交通大学与西南交通大学联合创新基金项目（编号：LH2025011）的资助。
| 王倩 | 毕林明 | 杨欣鹏 | 李壮 | 刘玉童 | 陈大志 | 王军昌 |
