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湖南科技大學(xué)張光軍課題組 Macromolecules：新型不對稱給體聚合物基太陽能電池 - PCE高達(dá)19.79%

2025-12-28 來源：高分子科技

近日，湖南科技大學(xué)張光軍課題組在《Macromolecules》上發(fā)表了一項(xiàng)重要研究成果，題為Asymmetric Cyano Functionalized Benzo[1,2,3]triazole-based Donor Polymer for High-Performance Polymer Solar Cells with 19.79% Efficiency。該團(tuán)隊(duì)以低成本BDT-Cl給體單元分別與對稱BTA-Cl、不對稱BTA-CN受體單元共聚，合成了PClBTA與PCNBTA兩種給體聚合物。氰基的強(qiáng)吸電子性與大偶極矩使PCNBTA具有更低HOMO能級、更寬吸收光譜及更高結(jié)晶度，其與BTP-eC9的二元器件PCE達(dá)18.51%，顯著高于PClBTA的14.15%，且本征不對稱結(jié)構(gòu)提升了批次重復(fù)性。將PCNBTA作為第三組分構(gòu)建的PM6:PCNBTA:BTP-eC9三元器件，PCE高達(dá)19.79%，躋身不對稱給體聚合物基 PSCs 的最高效率之列。

聚合物太陽能電池（PSCs）因低成本、柔性及大面積應(yīng)用潛力備受關(guān)注，單結(jié)器件通過 Y6 類非富勒烯小分子受體與 PM6 等給體聚合物搭配，效率已超 20%。但給體聚合物研發(fā)滯后于窄帶隙受體，核心瓶頸是缺乏理想電子受體構(gòu)筑單元。分子工程是解決該問題的有效策略，三元共聚雖能提升器件性能，卻存在分子排列失控、批次差異大等缺陷；不對稱D-A聚合物成本更低、批次穩(wěn)定性更好，卻面臨結(jié)晶度不足的問題，高偶極矩極性A單元可有效改善這一缺陷�，F(xiàn)有BTA基聚合物HOMO能級偏高，氟化BDT雖能調(diào)控能級但合成成本高昂，開發(fā)低成本高效給體聚合物仍是 PSCs 實(shí)用化的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

1.新型不對稱受體單元設(shè)計(jì)亮點(diǎn)：

首次開發(fā)出氰基功能化的不對稱苯并三唑衍生物（BTA-CN），通過氯原子與氰基雙取代修飾，既借助氰基的強(qiáng)吸電子性降低聚合物HOMO能級以提升開路電壓（V_oc），又利用其大偶極矩抑制不對稱聚合物主鏈無序性，顯著增強(qiáng)分子結(jié)晶度，解決了傳統(tǒng)不對稱給體聚合物結(jié)晶度不足、電荷傳輸受限的關(guān)鍵痛點(diǎn)。

2. 低成本給體單元的高效應(yīng)用：

選用氯化苯并二噻吩（BDT-Cl）作為給體單元，替代合成復(fù)雜、成本高昂的氟化BDT，在有效降低聚合物HOMO能級的同時(shí)，大幅削減制備成本，實(shí)現(xiàn)了性能與商業(yè)化潛力的兼顧，突破了現(xiàn)有高效給體聚合物合成成本高的瓶頸。

圖1. a) PClBTA和PCNBTA的合成路線。b) PClBTA和PCNBTA的性能比較。c) BTP-eC9的結(jié)構(gòu)。

圖2. a) PClBTA和PCNBTA在溶液中的紫外/可見-近紅外吸收光譜。b) 純膜狀態(tài)下的給體材料與BTP-eC9的歸一化紫外/可見-近紅外吸收光譜。c) 給體材料與BTP-eC9的能級示意圖。d) BTA-Cl和BTA-CN單體的密度泛函理論計(jì)算結(jié)果，包括含計(jì)算偶極矩的分子構(gòu)象以及前線分子軌道分布與對應(yīng)能級。e) 在B3LYP/6-31G(d)水平下計(jì)算得到的PClBTA和PCNBTA三聚體分子幾何構(gòu)型（計(jì)算中采用了PCNBTA的三種可能構(gòu)型）。

圖3. a) PClBTA和PCNBTA純膜的二維掠入射廣角X射線散射圖譜。b) 沿面外和面內(nèi)方向的相應(yīng)GIWAXS強(qiáng)度分布曲線。c) PClBTA和PCNBTA的g因子、(010)衍射的相干長度以及(010)堆積層數(shù)。d) 純聚合物薄膜的空穴遷移率與陷阱密度。

圖4. a, b) 二元器件的J-V特性曲線（a）與外量子效率譜（b）。c, d) 三元器件的J-V特性曲線（c）與外量子效率譜（d）。e) 光伏器件的光電流隨有效電壓變化曲線。f) 光伏器件的短路電流密度及g) 開路電壓隨光強(qiáng)變化關(guān)系。h, i) 瞬態(tài)光電流（h）與瞬態(tài)光電壓（i）測試。