與基于小分子受體的聚合物太陽能電池相比，采用聚合物受體制備的全聚合物太陽能電池具有更優(yōu)異的光/熱穩(wěn)定性和機(jī)械柔韌性，在柔性可穿戴電子器件領(lǐng)域更具應(yīng)用潛力。開發(fā)高性能聚合物受體材料是實(shí)現(xiàn)高效全聚合物太陽能電池的關(guān)鍵。目前高性能（PCE>15%）聚合物受體所采用的小分子受體單元僅局限于ADA′DA-型的Y6衍生物，開發(fā)基于ADA-型小分子受體單元的高性能聚合物受體材料仍面臨挑戰(zhàn)。

近來，中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所馬云龍團(tuán)隊(duì)與南京大學(xué)鄭慶東教授團(tuán)隊(duì)合作，設(shè)計(jì)并合成了兩個(gè)分子構(gòu)型分別為直線形和香蕉形的ADA-型小分子受體（MS-2FBr和MW-2FBr），并將它們作為主要構(gòu)建單元制備了兩個(gè)結(jié)構(gòu)規(guī)整的窄帶隙聚合物受體材料（PW-Se和PS-Se）。與基于香蕉形小分子受體的PS-Se相比，基于線形小分子受體的PW-Se展現(xiàn)出更平整的分子骨架，從而產(chǎn)生了更高的消光系數(shù)、更紅移的吸收光譜和更緊密有序的分子堆積。因此，采用PW-Se制備的電池器件可以實(shí)現(xiàn)15.65%的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE），遠(yuǎn)高于PS-Se的電池器件（PCE=8.90%）。考慮到PW-Se較窄的光學(xué)帶隙（Eg=1.31 eV），他們進(jìn)一步將PW-Se作為第三組分光伏材料引入到PM6:M36二元體系中，所制備的三元器件獲得了18%的PCE，是目前基于ADA型稠環(huán)電子受體太陽能電池的最高值。該工作不僅為高性能聚合物受體材料的分子設(shè)計(jì)提供了新見解，同時(shí)也為制備高效穩(wěn)定的聚合物太陽能電池提供了新的材料選擇。相關(guān)結(jié)果近期以《Polymerizing M-Series Acceptors for Efficient Polymer Solar Cells: Effect of the Molecular Shape》為題發(fā)表于《Advanced Materials》（Adv. Mater. 2024,2314169），中國科學(xué)院福建物構(gòu)所-福州大學(xué)聯(lián)培碩士生朱宇航為本文第一作者。該工作得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院海西研究院“前瞻跨越”杰出青年項(xiàng)目和中國科學(xué)院青促會(huì)項(xiàng)目的支持。

PW-Se的分子結(jié)構(gòu)及其最優(yōu)三元器件的J-V曲線

此前，鄭慶東&馬云龍團(tuán)隊(duì)已在ADA型稠環(huán)電子受體材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分子堆積結(jié)構(gòu)調(diào)控以及光伏器件制備方面取得了系列重要進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)成功發(fā)展一類高性能M系列電子受體材料（Angew. Chem. Int. Ed.,2020,59,21627）；并提出利用“鄰位側(cè)鏈”來抑制稠環(huán)分子過度聚集的策略（Aggregate,2023,4,e322）；通過調(diào)控分子間相互作用（Natl. Sci. Rev.,2020,7,1886）和分子取向（Joule,2021,5,197）來提高受體材料沿器件縱向的電荷傳輸性能，成功將“M系列”受體材料的光電轉(zhuǎn)換效率提高到17%以上（Nano Energy,2023,107,108116），以上工作為高性能電子受體材料的分子設(shè)計(jì)提供新思路，同時(shí)為高效光伏器件的制備提供新的材料選擇。