张茂杰教授&王二刚教授AEM：新型无规三元共聚物助力有机太阳能电池绿色化发展

第一作者：吴敬男

通讯作者：王二刚*，张茂杰*

单位：山东大学，查尔姆斯理工大学

有机太阳能电池因具备轻质、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，其商业化应用面临两大挑战：一是加工过程依赖有毒卤化溶剂，二是活性层材料在非卤化溶剂中溶解性不足且形态难以优化。

基于此，山东大学张茂杰课题组与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创新性方案。相关成果以"Balancing Processing and Molecular Packing via Structural Disordering in a Random Terpolymer for over 19% Efficiency Non-Halogenated Solvent Organic Solar Cells"为题，发表于国际权威期刊Advanced Energy Materials。

张茂杰研究团队基于前期在无规三元共聚领域的系统性成果，通过分子工程策略实现了材料性能的阶梯式突破。以缺电子单元TTz的引入为例（20%掺杂比例），团队开发出可批量合成且重复性优异的PM1共聚物，其通过优化结晶度、给体-受体界面相容性及电荷迁移率，将器件效率显著提升至新高度（Nat. Commun. 2020,11, 46）。进一步将20% DTBTz单元嵌入PM6主链构建PM6-Tz20共聚物，成功调控活性层微纳畴尺寸分布，使器件填充因子实现突破性增长（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 2322）。后续研究通过引入DTCPz缺电子单元开发PMZ系列共聚物，系统揭示了第三组分对降低给体聚合物HOMO能级、提升结晶度的双重作用机制，并阐明其对能级梯度与相分离行为的精准调控规律（Chem. Eng. J., 2022, 137424）。基于上述技术积累，团队通过将50 mol%共平面噻吩-噻唑并噻唑（TTz）单元整合至商业化给体聚合物PM7主链，成功构建1D/2A型无规三元共聚物PM7-TTz50。

要点一：非卤化溶剂加工性能提升

PM7-TTz50的无规结构设计在甲苯等非卤化溶剂中的溶解性提升300%，有效抑制了非富勒烯受体BTP-eC8-4F的过度聚集行为，从而降低高沸点溶剂加工过程中给体/受体界面的过度相分离倾向，实现活性层畴尺寸分布可控及绿色化制备工艺兼容性。

要点二：分子有序堆积与电荷传输协同增强

共平面的TTz单元的引入通过强化π-π堆积相互作用优化分子排列有序性，结合高沸点溶剂加工利用其延长的蒸发和晶体生长时间，以及PM7-TTz50在溶液中较高的聚集倾向特性，有效克服了无规三元共聚因结构无序性引发的π-π堆积弱化与分子有序性降低的固有缺陷。分子间强的聚集效应促使电荷传输效率提升与非辐射复合损失降低形成协同效应，最终获得PCE超过19%的高性能器件。

要点三：材料相容性与工艺重复性优化

PM7-TTz50展现出与L8-BO等其他非富勒烯受体的广泛相容性，其无规拓扑结构通过熵效应提升活性层组分分布均匀性，提高了器件制造过程中的可重复性。同时其与多种非富勒烯受体的普适性匹配使二元/三元器件均可稳定输出18%-19%的PCE值。

要点四：总结与展望

本研究通过无规三元共聚策略，在分子尺度上实现了溶解性提升与结晶性保留的巧妙平衡：TTz单元的引入既通过结构无序化增强非卤化溶剂加工适应性，又通过共平面设计维持分子链固有堆积能力，结合高沸点溶剂诱导的形貌动态调控，突破传统“溶解性-结晶性”权衡困境。该分子设计范式为开发兼具高效、环保特性的光伏材料提供了全新路径，其工艺兼容性与器件稳定性优势有望推动有机太阳能电池从实验室走向产业化应用。

Figure 1. (a) Molecular structures of PM7, PM7-TTz50, BTP-eC8-4F, and toluene as the processing solvent. (b) Energy level diagrams and (c) normalized UV-vis-NIR absorption spectra of PM7, PM7-TTz50, and BTP-eC8-4F. (d) Solubility curves of PM7 and PM7-TTz50 in toluene. 2D GIWAXS patterns for neat (e) PM7 and (f) PM7-TTz50 film. (g) Line-cut of scattering profiles of PM7 and PM7-TTz50 films.

Figure 2. Temperature-dependent UV–vis absorption spectra of (a) PM7, and (b) PM7-TTz50 in toluene, respectively. (c) Plot of intensity ratios between λ0–0 and λ0–1 versus temperature for polymer solutions. (d, h) Time evolution of UV–vis absorption contour maps of PM7:BTP-eC8-4F and PM7-TTz50:BTP-eC8-4F-based blends. (e, i) Time evolution of the D-polymer and BTP-eC8-4F peak locations from the absorption contour maps. (f, j) 2D GIWAXS patterns and (g, k) AFM images of PM7:BTP-eC8-4F and PM7-TTz50:BTP-eC8-4F-based blends.

Balance Processing and Molecular Packing via Structural Disordering in A Random Terpolymer for over 19% Efficiency Non-Halogenated Solvent Organic Solar Cells

王二刚教授简介：瑞典查尔姆斯理工大学（Chalmers University of Technology）化学与化学工程系教授。研究领域涉及有机太阳能电池、光电探测器、发光二极管、发光电化学电池、电致变色、场效应晶体管和超级电容器等。已在J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Joule, Adv. Energy Mater., Adv. Func. Mater., Angew. Chem.等国际权威刊物上发表论SCI论文200余篇，被引用12464余次，H因子60。

吴敬男博士现为瑞典查尔姆斯理工大学博士后。2024年博士毕业于丹麦奥尔堡大学。主要从事有机光伏材料应用、器件工程与器件应用方向的研究。已在Nat. Commun.，Adv. Energy Mater., Adv. Func. Mater., Angew. Chem.等国际权威刊物上发表论SCI论文39篇，被引用2000余次，H因子21。