福建物构所聚合物受体材料与光伏器件研究取得新进展

与基于小分子受体的聚合物太阳能电池相比，采用聚合物受体制备的全聚合物太阳能电池具有更优异的光/热稳定性和机械柔韧性，在柔性可穿戴电子器件领域更具应用潜力。开发高性能聚合物受体材料是实现高效全聚合物太阳能电池的关键。目前高性能（PCE>15%）聚合物受体所采用的小分子受体单元仅局限于ADA′DA-型的Y6衍生物，开发基于ADA-型小分子受体单元的高性能聚合物受体材料仍面临挑战。

近来，中国科学院福建物质结构研究所马云龙团队与南京大学郑庆东教授团队合作，设计并合成了两个分子构型分别为直线形和香蕉形的ADA-型小分子受体（MS-2FBr和MW-2FBr），并将它们作为主要构建单元制备了两个结构规整的窄带隙聚合物受体材料（PW-Se和PS-Se）。与基于香蕉形小分子受体的PS-Se相比，基于线形小分子受体的PW-Se展现出更平整的分子骨架，从而产生了更高的消光系数、更红移的吸收光谱和更紧密有序的分子堆积。因此，采用PW-Se制备的电池器件可以实现15.65%的光电转换效率（PCE），远高于PS-Se的电池器件（PCE=8.90%）。考虑到PW-Se较窄的光学带隙（Eg=1.31 eV），他们进一步将PW-Se作为第三组分光伏材料引入到PM6:M36二元体系中，所制备的三元器件获得了18%的PCE，是目前基于ADA型稠环电子受体太阳能电池的最高值。该工作不仅为高性能聚合物受体材料的分子设计提供了新见解，同时也为制备高效稳定的聚合物太阳能电池提供了新的材料选择。相关结果近期以《Polymerizing M-Series Acceptors for Efficient Polymer Solar Cells: Effect of the Molecular Shape》为题发表于《Advanced Materials》（Adv. Mater. 2024,2314169），中国科学院福建物构所-福州大学联培硕士生朱宇航为本文第一作者。该工作得到国家自然科学基金、中国科学院海西研究院“前瞻跨越”杰出青年项目和中国科学院青促会项目的支持。

此前，郑庆东&马云龙团队已在ADA型稠环电子受体材料的结构设计、分子堆积结构调控以及光伏器件制备方面取得了系列重要进展。团队成功发展一类高性能M系列电子受体材料（Angew. Chem. Int. Ed.,2020,59,21627）；并提出利用“邻位侧链”来抑制稠环分子过度聚集的策略（Aggregate,2023,4,e322）；通过调控分子间相互作用（Natl. Sci. Rev.,2020,7,1886）和分子取向（Joule,2021,5,197）来提高受体材料沿器件纵向的电荷传输性能，成功将“M系列”受体材料的光电转换效率提高到17%以上（Nano Energy,2023,107,108116），以上工作为高性能电子受体材料的分子设计提供新思路，同时为高效光伏器件的制备提供新的材料选择。

PW-Se的分子结构及其最优三元器件的J-V曲线