研究背景
全聚合物太阳能电池(all-PSCs)由于其优越的光化学、热和机械稳定性，近年来在柔性大型器件中的应用引起了广泛的关注。随着聚合小分子受体（PSMAs）在全聚合物太阳能电池中的应用，PSMAs的研究取得了重要进展。然而大多数PSMAs是由近红外稠环电子受体得到的，如Y系列受体。然而，基于合成路线简单、产率高、成本低的非稠环受体（NFRAs）的聚合在all-PSCs中鲜有的报道。这种策略可以降低生产成本，这对all-PSCs技术的商业化有重要前景。
研究内容
在最近的工作中，噻吩[3,4-c]并吡咯烷二酮（TPD）与苯并噻二唑(BT)分别作为受体核心被成功应用于全聚合物太阳能电池，通过引入“非共价构象锁”后，可以保持良好的平面性、提高光吸收和高电荷输运迁移率，此外还通过定位IC-Br合成结构明确的聚合物，利用区域规则性来改善结晶性和电荷输运性质。因此，对比于传统的无定形聚合物基于区域规则的RP02（TPD核）的太阳能电池具有0.91V的开路电压和19.19 mA/cm2的短路电流，获得了10.99%的功率转换效率(PCE)。另外在基于 PBTO-γ（BT核）的太阳能电池中具有0.84V的开路电压和更高的21.94 mA/cm2短路电流，获得了11.42%的高效率，PBTO-γ代表了基于非稠环PSMA的最高 PCE。
图1.（a）相关非稠环受体聚合物结构。（b）稠环受体聚合物的电压损失和效率统计图。
图2. （a）PBTO和PBTO-γ薄膜的吸收光谱。（b）PM6，RP01和RP02薄膜的吸收光谱。（c）PBDB-T，PBTO和PBTO-γ的能级图。（d）PM6，RP01和RP02的能级图。
图3.（a）PBTO和PBTO-γ的J-V曲线。（b）PBTO和PBTO-γ的EQE曲线。（c）RP01和RP02的J-V曲线。（d）RP01和RP02的EQE曲线。
总之，在A-D-A′-D-A型非稠环小分子受体的基础上，分别发展了两种新型的高效率聚合物受体，即区域规则RP02和区域规则PBTO-γ。明显地，与区域随机 RP01和PBTO 相比，由于区域规则RP02和PBTO-γ都获得了更好的激子分离与电荷运输、优良的骨架有序性可以更好的控制形貌与结晶性。总体而言，基于PBTO-γ的all-PSCs显示出高的 PCE （11.42%）和显著增强的JSC（21.94 mA/cm2）。此外，非稠环分子易于合成、结构丰富，表明聚合非稠环 PSMAs 是开发高性能、低成本的聚合物受体的有效策略。
相关成果分别以“Non-fused polymerized small-molecular acceptors containing thieno[3,4-c] pyrrole-4,6-dione core for all-polymer solar cells”为题发表在国际期刊《Chemical Engineering Journal》和 “Non-fused Polymerized Small-Molecule Acceptors with a Benzothiadiazole Core for All-Polymer Solar Cells”为题发表在国际期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上。北京交通大学联合培养博士研究生李若男和北京化工大学博士后王超分别为论文第一作者，北京化工大学李韦伟教授和肖承义博士为共同通讯作者，本研究由北京自然科学基金，科技部和国家自然科学基金委，中央高校基本科研基金，有机无机复合材料国家重点实验室开放项目（oic-202201006）和国家重点开放项目共同支持。