Y系列受体材料的开发推动有机太阳能电池快速发展，单节有机光伏效率已经超过19%，随之带来的对给体材料的要求也越来越高。除了给体和受体之间的吸收区域、能级的合理匹配之外，活性层的微观形貌更是决定器件性能的关键因素。通常来说，给体材料会选择高分子量的聚合物，因为高分子量通常伴随着良好的结晶度，有利于分子间电荷转移。然而，高分子量聚合物通常伴随着材料批次差异大的问题，阻碍了有机太阳能电池的工业发展。

  在前期研究过程中，北京航空航天大学化学学院霍利军教授课题组发现苯并二呋喃（BDF）类聚合物在介观分子量层面中(数均分子量(M_n)在1-10 kDa之间)能维持有效的结晶性，实现较高的器件性能，同时由于分子量较为集中，在介观层面展现出较小的性能差异。（Adv. Sci. 2022, 9, 2105430）同时，该组针对呋喃类半导体材料研究多年，对呋喃及其稠环衍生物光伏材料的结构设计进行了一系列探索（Chem. Commun., 2012,48, 3318; Macromolecules 2012, 45, 17, 6923; Polym. Chem., 2013,4, 3047; Chin. J. Org. Chem. 2016, 36, 687; J. Mater. Chem. C, 2016, 4, 9052; Polym. Chem., 2016,7,4036）。2015年他们利用BDF类材料有较好平面性的特点，开发出基于富勒烯（Adv. Mater. 2015, 27, 6969）的高性能呋喃类光伏材料。2021年他们利用萘并二呋喃（NDF）单元制备出聚合物给体材料，通过采用柔性的受体单元与之搭配聚合，使NDF聚合物材料展现出优秀的电荷传输性能，将NDF类有机太阳能电池性能提高一倍。（Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2003954）因此，呋喃及其衍生物构筑的有机半导体材料在有机光伏领域具有重要应用前景。（Small Methods 2021, 5, 2100493；J. Mater. Chem. C, 2022, 10, 15708）

图一 (a) 给、受体材料结构；(b)聚合物PBDFCl-1和PBDFCl-2的理论计算图；(c) PBDFCl-1和PBDFCl-2在溶液和薄膜中的紫外吸收光谱; (d) OSCs器件中使用的相关材料的能级图。

图二 (a) PBDFCl-1和PBDFCl-2器件的J-V曲线；(b) PBDFCl-1和PBDFCl-2器件的EQE曲线；(c) 2012-2020年间报告的含BDF单元聚合物电池的PCE值以及多批次聚合物光伏性能汇总图; (d) 基于PBDFCl-1:Y6和PBDFCl-2:Y6的OSC光电流密度（J_ph）与有效电压（V_e?）的关系；(e)基于PBDFCl-1:Y6和PBDFCl-2:Y6的OSC光电流密度（J_ph）与光强度的关系; (f) 基于PBDFCl-1:Y6和PBDFCl-2:Y6的OSC光电流密度（J_ph）与电压的关系。

图三 不同分子量PBDFCl-2:Y6的GIWAXS图像及对应的IP和OOP方向曲线。

图四 不同分子量的PBDFCl-1和PBDFCl-2共混膜的AFM高度图像。

  相关研究结果以“An Efficient One-Arrow-Two-Hawks Strategy Achieves High Efficiency and Stable Batch Variance for Benzodifuran-based Polymer Solar Cells”发表在《Advanced Functional Materials》上。该文章通讯作者为北京航空航天大学霍利军教授和中国科学院理化技术研究所江雷院士团队王京霞研究员。第一作者为北京航空航天大学博士研究生郑冰。特别感谢北京航空航天大学张渊教授、国家纳米科学中心张建齐研究员、中科院化学所李永舫院士、上海交大刘烽教授及武汉大学闵杰教授等在器件测试方面为本研究提供的帮助；同时感谢潍坊医学院周旭聪博士、和永瑞博士在理论计算方面提供的帮助。本研究得到了国家自然科学基金、北京市自然科学基金、北航拔尖人才计划基金项目的支持。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202300981