山东大学张茂杰团队在有机太阳能电池领域取得新进展

　　有机太阳能电池(OSC)因具备轻质、柔性、低成本及半透明等特性，是清洁能源技术领域的重要研究方向。然而，其商业化应用面临巨大挑战。近日，山东大学国家胶体材料工程技术研究中心张茂杰教授团队与瑞典查尔姆斯理工大学王二刚课题组合作，开发出新型无规三元共聚物PM7-TTz50，为解决上述问题提供了新思路。相关研究成果以“Balance Processing and Molecular Packing via Structural Disordering in a Random Terpolymer for Over 19% Efficiency Non-Halogenated Solvent Organic Solar Cells”为题发表在国际知名期刊Advanced Energy Materials(IF：24.4)。论文的通讯作者为张茂杰教授、王二刚教授，吴敬男博士为论文的第一作者，山东大学为论文第一单位。
 

　　通过将50mol%的共平面的噻吩-噻唑并噻唑(TTz)单元引入该团队首创的给体聚合物PM7(Nano Energy 2018, 48, 413、Sci. China Chem.2020, 63, 325)主链，构建了1D/2A型无规三元共聚物PM7-TTz50。该设计使材料在甲苯等非卤化溶剂中的溶解性提升三倍，并通过高沸点溶剂延长分子聚集时间，优化了分子堆积有序性。结合其强聚集特性，材料实现了高效电荷传输和低非辐射复合，最终器件功率转换效率(PCE)超过19%，为无卤化溶剂加工的高效有机太阳能电池提供了新方案。
 

图1. PM7和PM7-TTz50的结构式及能级、吸收、结晶性等性能
 

　　PM7-TTz50的研发显著降低了传统卤化溶剂(如氯苯、氯仿)的使用需求，同时解决了非卤化溶剂中活性层材料溶解性差、相分离不理想等问题。通过调控高沸点溶剂加工条件，优化了活性层畴尺寸分布，实现绿色化加工高性能器件。
 

　　此外该材料与多种非富勒烯受体适配性良好，其无规结构提升了材料均匀性和器件可重复性。基于PM7-TTz50的二元及三元器件均表现出稳定的高效率输出(PCE达18%-19%)。
 

图2. PM7和PM7-TTz50的变温吸收及共混膜的形貌
 

　　此项研究通过无规三元共聚策略，平衡了分子链无序性与结晶性需求：TTz单元的引入在提升溶解性的同时，保留了材料的固有堆积能力；结合高沸点溶剂加工优势，实现了活性层形貌的精准调控。这一分子设计思路为开发环保型高效光伏材料提供了参考，有望推动有机太阳能电池从实验室向产业应用过渡。
 

　　张茂杰教授研究团队前期在聚合物给体材料的设计合成方面通过分子工程策略取得了一系列重要研究成果，实现了材料性能的阶梯式提升。自主开发的宽带隙聚合物PM6基于不同受体材料体系的有机光伏器件中都表现出非常优异的光伏性能。相关研究成果先后发表在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。研究团队后来采用三元共聚的策略对聚合物聚集态结构进行调控，利用分子主链的无规排列调节聚合物在溶液中的预聚集，改善与受体材料之前的相容性；同时，引入平面性更好、共轭程度更大、含有杂原子的第三共聚单元来抑制分子主链无规性对分子排列和堆积带来的不良影响。首先将TTz单元引入PM6的主链设计合成宽带隙聚合物PM1(Nat. Commun. 2020,11, 46)。在此设计理念下，申请人将含噻唑单元的另一衍生物BTz单元引入聚合物PM6的主链中设计合成一系列无规宽带隙聚合物，进一步优化了活性层畴尺寸分布，提升器件的填充因子(Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 2322)。后续研究发现，引入缺电子单元DTCPz的PMZ系列共聚物可成功降低给体聚合物的HOMO能级并提升结晶度，揭示了第三组分对能级梯度与相分离的调控机制(Chem. Eng. J., 2022, 137424)。该系列材料已经发展成为目前综合性能最优秀以及研究最广泛的宽带隙聚合物给体材料。