采用有机/聚合物半导体作为光伏活性层的有机太阳能电池是一种有前景的光伏技术，具有低成本、轻量化和机械可变形性的优势。得益于材料探索、器件工程和形貌优化，基于聚合物给体/非富勒烯受体的 OSCs 最近实现了里程碑式的突破，光电转换效率（PCEs）超过了 20% [1], [2], [3], [4], [5]。聚合物给体材料通常通过两种策略合成：给体 - 受体（D-A）和给体 -π- 桥 - 受体（D-π-A）共聚。D-A 聚合物通过分子内电荷转移（ICT）实现窄带隙和强吸收 [6], [7], [8]，但直接的 D-A 连接引入了空间位阻，限制了骨架共平面性。相比之下，D-π-A 聚合物在 D 和 A 单元之间插入π-桥，延长了共轭长度，能够实现吸收和能级的独立调节 [9], [10], [11]，并减轻空间位阻以改善共平面性、分子间π-π堆积和电荷迁移率 [10], [12]。因此，大多数高性能聚合物给体现在采用 D-π-A 构型 [13], [14]，通常具有氟化苯并二噻吩（F-BDT）给体单元 [15], [16]。此类聚合物给体材料的合成通常需要 15-18 步反应，例如 PM6 [17] 和 D18 [18], [19]。这些复杂的合成工艺导致了高昂的生产成本和较差的批次间重现性。效率与成本之间的显著失衡仍然是阻碍 OSCs 从实验室研究向大规模工业化转变的主要瓶颈 [17], [18], [19], [20]。
为了应对这一挑战，研究人员致力于简化结构复杂的聚合物给体。例如，刘课题组利用基于氰基吡嗪的部分作为电子受体（A）单元制备 D-π-A 共聚物 PBDTCP-F，获得了 9.56% 的 PCE [21]。值得注意的是，由于该 A 单元缺乏自身的烷基侧链，必须采用烷基化的（2-乙基己基取代）噻吩作为π-桥以确保足够的溶解性，这进一步增加了材料的合成成本。相比之下，黄等人采用了结构简单的酯基取代噻唑作为 A 单元构建 D-π-A 共聚物 PBDTF-TzOD，实现了 12.55% 的 PCE [22]。同时，张等人利用酯基取代吡嗪单元作为电子接受构建块构建了低成本宽带隙聚合物 PFBCPZ，实现了 15.3% 的 PCE [23]。由于后两个例子中的 A 单元已经带有烷基侧链，可以使用简单的未取代噻吩作为π-桥，避免了额外的烷基化步骤。上述所有 A 单元都具有简单的结构，仅需 1-2 步合成。尽管这些聚合物的受体单元得到了有效简化，但这些系统中的给体单元仍然是氟化苯并二噻吩（F-BDT），其合成至少需要 9 步。因此，为了进一步发展这类结构简单、低成本的 D-π-A 聚合物给体，必须同时简化 D 单元和 A 单元，同时避免在分子骨架的其他地方引入结构复杂性。只有这样，给体材料才能真正实现低成本与高性能的真正平衡，从而为 OSCs 的工业化铺平可行之路。
在本工作中，我们提出了一种双向简化策略，以降低 D-π-A 共聚物给体材料的合成复杂性。选择非氟化苯并二噻吩（BDT）单元作为 D 部分，其中锡化 D 单元的合成仅需四步，远少于 F-BDT 对应的九步。在 A（受体）单元方面，为了引入氟元素，选择廉价且商业可得的起始材料 1,4-二溴 -2,3,5,6-四氟苯（3 美元/克）。通过醚化反应引入 2-己基十二烷氧基侧链，以提高所得聚合物的溶解性。随后通过施蒂勒偶联和溴化，仅在三步内合成了具有简洁结构的基于三氟苯的二溴 A 单元。通过这种 D/A 协同优化方法，目标 D-A 共聚物 PF06B 的完整合成路线被简化为总共八步，大约是基准聚合物给体 PM6 和 D18 合成复杂性的半数 [17], [18], [19]。得益于这种双向结构优化，PF06B 实现了 27.2 的合成复杂度（SC）指数和仅 30-45 美元/克的预估工业生产成本。PF06B 与非富勒烯受体 L8-Ph 显示出良好的匹配性，包括互补吸收、能级对齐和最佳混合形貌。因此，相应的 OSC 器件提供了 15.45% 的中度 PCE。这些结果表明，高性能 OSC 材料不一定需要依赖复杂的分子结构。分子层面的战略简化可以产生下一代低成本有机光伏材料商业可行且广泛适用的设计范式。
