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聚合物太阳能电池因其轻薄廉价等特点，被认为是未来光伏产业的“种子选手”。而进一步提高材料性能是该领域的主要研究方向。聚合物太阳能电池中的电子给体材料从早期的均聚物发展到了当前主流的以PM6为代表的高效D-A二元共聚物。为了进一步提高材料性能，近日，四川大学彭强团队通过在高性能聚合物PM6中引入高极性的第三基团TzBI，构建了高效三元共聚聚合物给体材料，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%的高性能聚合物太阳能电池器件，实现了该领域的突破。这一研究成果近期发表在期刊Advanced Functional Materials上（DOI：10.1002/adfm.202208950），第一作者为四川大学化工学院硕士研究生杨彤岩，通讯作者为四川大学化工学院于立扬副研究员和彭强教授。
三元共聚物的设计思路如上图所示。一般来说，添加第三基团将不可避免地引入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。通过对第三基团的选择，实现了在聚合物骨架无序性和分子间相互作用之间的权衡。由此实现了对薄膜纳米结构的精确调控和各光伏过程性能的优化。
在高性能二元共聚物PM6中引入10%的TzBI合成的PM6-TzBI-10中，实现了最优的薄膜纳米结构，导致了更高的激子解离效率、更平衡的电荷传输和更少的陷阱态电荷复合。从而，实现了填充因子和开路电压的提升。而高电子亲和力TzBI基团的引入也带来了开路电压的略微提升。最终实现了高达18.36%的能量转换效率，是目前报道的最高的单节两混器件效率之一。
该工作通过强极性第三基团引入了分子间作用和分子骨架无序性之间的平衡，设计合成了高性能三元共聚给体材料PM6-TzBI-10，为三元共聚给体材料第三组分基团的选择提供了依据和指导。
来源：高分子科学前沿
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