中科院青岛能源所/山东能源研究院，Nat. Commun.：聚合物特性四聚体受体实现高效且稳定二元有机太阳能电池

第一作者：王剑晓，孙成

通讯作者：包西昌*，李永海*

单位：中国科学院青岛生物能源与过程研究所

有机太阳能电池（OSCs）作为新一代光伏技术，凭借其轻质、柔性、低成本及可溶液加工等优势，成为可再生能源领域的研究热点。其中，全聚合物太阳能电池（all-PSCs）因聚合物材料固有的机械柔韧性和长期稳定性潜力备受关注。然而，当前聚合物受体材料面临多重挑战：首先，主流的Y系列聚合物受体聚合度普遍较低（数均分子量Mn≈10 kDa），导致分子链短、批次间差异显著，严重影响器件性能的可重复性；其次，低聚合度削弱了分子间的物理缠结能力，导致薄膜形态不稳定，在热应力或光照下易发生相分离；此外，与小分子受体相比，聚合物受体的分子排列无序性较高，电荷生成以及输运能力不足，限制了器件效率的提升。尽管近年来通过分子设计和器件工程取得了一定进展，但核心问题仍未解决。在此背景下，研究者以寡聚体替代传统聚合物受体的策略。寡聚体兼具小分子结构明确性和聚合物的长程有序特性，可有效规避批次差异，同时可通过多维分子堆积提高堆积密度，并扩展共轭骨架模拟聚合物的电荷传输行为。本研究聚焦S构型四聚体受体（4Y-BO）的设计，结合小分子和聚合物的优势，旨在突破现有瓶颈，为高效稳定有机光伏发展提供新思路。

基于此，来自中国科学院青岛生物能源与过程研究所的包西昌研究员所带领的团队，在国际知名期刊Nature Communications上发表题为“Polymer-like tetramer acceptor enables stable and 19.75% efficiency binary organic solar cells”的研究文章。该文章报道了一种具有明确结构且与聚合物受体分子量相当的四聚受体4Y-BO，并系统呈现了四聚受体相比于聚合物在堆积与聚集特性、光伏性能以及器件热/光/机械稳定性的优势。基于四聚体4Y-BO的OSC实现了高达19.75%的优异性能（认证19.58%）且批次间差异很小，远优于聚合物的器件（15.66%）。没有小分子量材料的优势使基于四聚体的光伏器件表现出更好的稳定性。证明了S构型四聚体替代聚合物受体实现高效稳定光伏器件的巨大潜力。

图1. 四聚体受体4Y-BO和聚合物受体PY-BO的性能对比。

四聚体受体4Y-BO是通过依次连接四个Y系列单体形成高度对称的π共轭骨架，构成明确的分子量（7.36 kDa，与Y系列聚合物接近）。4Y-BO在氯仿溶液中预聚集程度显著低于PY-BO，其吸收峰从溶液的765 nm红移至薄膜的804 nm（Δλ=39 nm），而PY-BO因链间缠结仅红移12 nm（795→807 nm）。通过DFT计算表明，4Y-BO的平面构型和均衡静电势（ESP）分布有利于增强分子间π-π相互作用并增加多位点高效耦合，高效促进了电荷的产生与传输。从原位吸收结果表明，更强的分子间作用促使成膜过程中分子的有序排列。掠入射广角X射线散射（GIWAXS）进一步证实，4Y-BO薄膜相比于PY-BO具有更加紧密有序的分子堆积。这种堆积特性使其在混合膜中形成高度有序的纤维状微晶结构，为高效电荷产生传输，以及稳定活性层形貌奠定了基础。

要点二：器件光伏性能及电压损失研究

为进一步探究光伏性能的差异，制备了一系列的器件。基于PM6:4Y-BO的器件实现了19.75%的效率（认证19.58%），远高于PM6:PY-BO的15.66%。通过高灵敏外量子效率（sEQE）和电致发光量子效率（EQEEL）分析，4Y-BO器件的非辐射能量损失（ΔE3=0.207 eV）较PY-BO（0.227 eV）减少9%，这与其更高的荧光量子产率（PLQY=8.26% vs. 1.53%）和更低的Urbach能量（23.3 meV vs. 24.3 meV）有关，最终，器件的能量损失Eloss仅为0.534 eV。此外，瞬态光电压（TPV）和光电流（TPC）测试进一步揭示，4Y-BO器件的载流子寿命较PY-BO明显延长（138.7 μs vs. 93.5 μs），电荷提取时间从5.03 μs缩短至1.02 μs，表明有序分子堆积有效降低了陷阱态密度。

要点三：四聚体受体与聚合物受体的热/光/机械稳定性对比

由于没有低分子量材料以及强的分子间作用，基于明确结构的四聚体受体4Y-BO的器件在稳定性方面实现全方位突破：热稳定性方面，其玻璃化转变温度（Tg=134°C）较PY-BO（123°C）提升11°C，抑制了高温下低分子量组分的蠕变行为。80°C加速老化实验中，PM6:4Y-BO的T80%寿命达2125小时，是PY-BO（512小时）的4.1倍；光稳定性方面，持续AM1.5G光照150小时后，4Y-BO器件效率保持率92.6%（PY-BO为83.4%）；机械稳定性方面，PM6:4Y-BO共混膜的弹性模量（232 MPa）和弹性变形能力（6.22%）均优于PY-BO（221 MPa，5.35%），柔性器件经1000次弯曲（弯折半径5 mm）后效率保持91%的效率，并具有更快的弯折回弹性能。这种“刚柔并济”的特性使其成为可穿戴光伏器件的理想候选材料。

Polymer-like tetramer acceptor enables stable and 19.75% efficiency binary organic solar cells

李永海副研究员简介：硕士生导师，中科院青促会会员。2009年7月本科毕业于山东大学化学与化工学院，2014年7月博士毕业于中科院化学所有机固体实验室，同年进入中科院青岛能源所从事博士后研究并留所工作。主要从事新型有机光电功能材料及器件方面的研究，研究方向包括有机/钙钛矿太阳能电池、有机光电探测器等。相关研究成果以第一或通讯作者（含共同）在Nat. Commun.; Adv. Mater.; Angew. Chem. Int. Ed.; The Innovation等国际权威学术期刊发表SCI论文40余篇，并申报国内发明专利5件。