江西理工大学黄斌AFM：利用分子内的非共价作用设计合成高性能三元聚合物给体

有机太阳能电池因质量轻、半透明、可溶液加工等优势受到研究者的青睐。近来，随着活性层材料的发展和器件工艺的改进，实验室小面积器件的光电转化效率已超过19%。然而，相比于非富勒烯受体（NFAs）的快速发展，高性能聚合物给体的改进显得尤为滞后。

通过三元共聚策略引入第三组分以调控给体材料的能级和结构，以及优化活性层形貌是目前常用的有效策略之一。然而，第三单元的引入会不可避免地破坏聚合物的周期性序列分布，从而不利于聚合物给体之间的堆叠。因此，如何利用三元聚合优势的同时，避免第三组分对聚合物母体周期性序列分布的破坏，是目前亟需解决的问题。

图1 本工作中聚合物的合成路线及相关的光电性能

针对以上问题，江西理工大学黄斌副教授团队通过把具有强吸电子能力的酯基噻吩单元（DDT）引入到明星聚合物给体PM6中，巧妙利用分子内存在的S··∙O非共价键，开发了两种高性能三元共聚物给体L1和L2。实验结果表明，三元共聚的方法不仅很好的调控了PM6的能级和结晶性，而且利用非共价键的作用提升了聚合物给体的平面性，使得光电转化效率（PCE）高达18.75%。该项工作为今后利用分子内非共价的作用设计合成高性能聚合物给体提供了新的研究思路。

图2 该工作中的器件结构与光伏性能测试

众所周知，良好的混溶性是形成纳米尺度相分离的重要前提。根据接触角和原子力显微镜表征结果显示，与L2和PM6基共混膜相比，基于L1: L8-BO的共混膜展现出更佳的混溶性和更明确的双纤维网络结构。这主要归因于DDT中存在的S··∙O非共价构象锁，增强了分子间共面性和堆积作用，从而实现了合适的相分离形态。研究结果揭示通过调控DDT单元引入量可以有效调节共混膜中相分离程度。

图3 该工作中的共混膜形貌表征

此外，为了更深入地揭示DDT单元对共混膜相分离的影响，作者对成膜过程动力学进行研究。研究结果显示，添加5% DDT可以延缓体系从溶液状态到固化状态所需的时间，并且能够优化结晶过程和分子堆积，有利于形成具有合适畴尺寸的相分离纳米结构。该实验结果充分证明S··∙O非共价键在调控活性层形态，优化PSCs给体和受体的结晶性方面发挥作用。

图4 该工作中的共混膜成膜动力学表征

该工作表明，利用S···O非共价分子内相互作用，通过结合酯取代噻吩（DDT）作为第三组分来提高聚合物给体的平面性是一种很有前途的开发高性能聚合物给体的策略，并全面揭示了DDT单元对聚合物基体的能级结构、活性层形貌以及光伏性能的影响。这有助于推动高性能聚合物太阳能电池的进一步发展。

该论文以题“Non-covalent Intramolecular Interactions Induced High-Performance Terpolymer Donors”发表在《Advanced Functional Materials》上。江西理工大学硕士研究生卢加永为本文第一作者，江西理工大学本科生伍俊然为本文共同第一作者，江西理工大学黄斌副教授、刘晋彪教授、重庆大学陈珊珊副研究员为本文通讯作者（Adv. Funct. Mater. 2023, 2312545，https://doi.org/10.1002/adfm.202312545）。

转自：“有机钙钛矿光电前沿”微信公众号

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