【儀表網 研發快訊】有機太陽能電池(OSC)因具備輕質、柔性、低成本及半透明等特性，是清潔能源技術領域的重要研究方向。然而，其商業化應用面臨巨大挑戰。近日，山東大學國家膠體材料工程技術研究中心張茂杰教授團隊與瑞典查爾姆斯理工大學王二剛課題組合作，開發出新型無規三元共聚物PM7-TTz50，為解決上述問題提供了新思路。相關研究成果以“Balance Processing and Molecular Packing via Structural Disordering in a Random Terpolymer for Over 19% Efficiency Non-Halogenated Solvent Organic Solar Cells”為題發表在國際知名期刊Advanced Energy Materials(IF：24.4)。論文的通訊作者為張茂杰教授、王二剛教授，吳敬男博士為論文的第一作者，山東大學為論文第一單位。
通過將50mol%的共平面的噻吩-噻唑并噻唑(TTz)單元引入該團隊首創的給體聚合物PM7(Nano Energy 2018, 48, 413、Sci. China Chem.2020, 63, 325)主鏈，構建了1D/2A型無規三元共聚物PM7-TTz50。該設計使材料在甲苯等非鹵化溶劑中的溶解性提升三倍，并通過高沸點溶劑延長分子聚集時間，優化了分子堆積有序性。結合其強聚集特性，材料實現了高效電荷傳輸和低非輻射復合，最終器件功率轉換效率(PCE)超過19%，為無鹵化溶劑加工的高效有機太陽能電池提供了新方案。
圖1. PM7和PM7-TTz50的結構式及能級、吸收、結晶性等性能
PM7-TTz50的研發顯著降低了傳統鹵化溶劑(如氯苯、氯仿)的使用需求，同時解決了非鹵化溶劑中活性層材料溶解性差、相分離不理想等問題。通過調控高沸點溶劑加工條件，優化了活性層疇尺寸分布，實現綠色化加工高性能器件。
此外該材料與多種非富勒烯受體適配性良好，其無規結構提升了材料均勻性和器件可重復性。基于PM7-TTz50的二元及三元器件均表現出穩定的高效率輸出(PCE達18%-19%)。
圖2. PM7和PM7-TTz50的變溫吸收及共混膜的形貌
此項研究通過無規三元共聚策略，平衡了分子鏈無序性與結晶性需求：TTz單元的引入在提升溶解性的同時，保留了材料的固有堆積能力；結合高沸點溶劑加工優勢，實現了活性層形貌的精準調控。這一分子設計思路為開發環保型高效光伏材料提供了參考，有望推動有機太陽能電池從實驗室向產業應用過渡。
張茂杰教授研究團隊前期在聚合物給體材料的設計合成方面通過分子工程策略取得了一系列重要研究成果，實現了材料性能的階梯式提升。自主開發的寬帶隙聚合物PM6基于不同受體材料體系的有機光伏器件中都表現出非常優異的光伏性能。相關研究成果先后發表在Adv. Mater. 2015, 27, 4655、Adv. Mater. 2018, 30, 1704546、Sci. China Chem. 2018, 61, 531、Nano Energy 2021, 85, 105963、Sci. China Chem. 2019, 62, 845、Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 19835。研究團隊后來采用三元共聚的策略對聚合物聚集態結構進行調控，利用分子主鏈的無規排列調節聚合物在溶液中的預聚集，改善與受體材料之前的相容性；同時，引入平面性更好、共軛程度更大、含有雜原子的第三共聚單元來抑制分子主鏈無規性對分子排列和堆積帶來的不良影響。首先將TTz單元引入PM6的主鏈設計合成寬帶隙聚合物PM1(Nat. Commun. 2020,11, 46)。在此設計理念下，申請人將含噻唑單元的另一衍生物BTz單元引入聚合物PM6的主鏈中設計合成一系列無規寬帶隙聚合物，進一步優化了活性層疇尺寸分布，提升器件的填充因子(Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 2322)。后續研究發現，引入缺電子單元DTCPz的PMZ系列共聚物可成功降低給體聚合物的HOMO能級并提升結晶度，揭示了第三組分對能級梯度與相分離的調控機制(Chem. Eng. J., 2022, 137424)。該系列材料已經發展成為目前綜合性能最優秀以及研究最廣泛的寬帶隙聚合物給體材料。
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