构建三元无规共聚物是当前设计合成高性能聚合物太阳能电池给体材料的有效策略之一。一般来说，第三基团的引入将不可避免地导致熵增和聚合物骨架的无序性；另一方面，选择适当的第三基团可以增强分子间的相互作用，从而抵消骨架无序性造成的分子聚集减弱。近日，四川大学彭强团队通过在高性能聚合物PM6中引入强极性的第三基团TzBI，设计合成了一系列三元无规共聚物，实现了对薄膜纳米形貌的精确调控，制备了高开路电压、高填充因子和能量转换效率高达18.36%的聚合物太阳能电池器件。

图1 三元无规共聚物的设计思路和合成步骤

图2 基于不同聚合物给体材料的有机太阳能电池的J-V曲线和EQE曲线

图3 聚合物太阳能电池器件的光物理过程和纳米形貌表征

  该团队对器件的光物理过程进行了系统表征。通过使用瞬态吸收光谱、空间电荷限制电流法、光电流/暗电流测试和不同光强下的器件性能表征等技术手段（图3左图），发现了基于PM6-TzBI-10的聚合物太阳能电池器件具有更高效的激子解离、更平衡的电荷传输和更少的陷阱态电荷复合。这一系列光物理过程的提升都指向了更加优化的薄膜形貌。从掠入射广角X射线散射表征（图3右图）中得出，TzBI的引入扩宽了聚合物分子间的层间堆积距离，这和分子骨架的无序性有关。在引入5-15% TzBI的聚合物中，晶体尺寸略微增加，而在引入20% TzBI后，由于强极性基团引入的分子间相互作用增强，晶体相干长度迅速增大。这表明不同含量TzBI的引入可以影响晶体结构和晶体尺寸。在混合薄膜中，随着TzBI含量的增加，聚合物给体和小分子受体的结晶度和晶体尺寸都显著提高，特别是L8-BO的晶体相干长度从15.3 nm提高到了24.8 nm。通过平衡分子间作用和分子骨架无序性对晶体结构和尺寸的影响，最终实现了对薄膜共混形貌的精确调控，在PM6-TzBI-10中实现了最优的光物理过程和器件性能。

  这一工作通过引入强极性第三基团平衡了分子间相互作用和分子骨架的无序性，设计合成了高性能三元无规共聚物给体材料PM6-TzBI-10，为三元无规共聚物给体材料的设计提供了指导。

  原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202208950