【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院、國家膠體材料工程技術(shù)研究中心張茂杰教授團(tuán)隊(duì)在有機(jī)太陽能電池給體材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)通過硅氧烷官能化的分子工程策略，設(shè)計(jì)開發(fā)出新型三元無規(guī)共聚物給體材料DN1，首次在單一聚合物體系中同步實(shí)現(xiàn)了高光電轉(zhuǎn)換效率、精準(zhǔn)活性層形貌調(diào)控與優(yōu)異非鹵溶劑加工性的協(xié)同優(yōu)化為下一代可規(guī)?；?、可持續(xù)的有機(jī)光伏技術(shù)提供了核心材料解決方案。相關(guān)研究成果以“High-Efficiency Organic Solar Cells Enabled by Siloxane-Functionalized Pyrazine Terpolymers: Synergizing Performance, Morphology Control, and Non-Halogenated Solvent Processability”為題，發(fā)表于國際材料科學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊Advanced Materials(影響因子:26.8)。論文通訊作者為張茂杰教授、吳敬男，博士研究生侯文文為第一作者，山東大學(xué)為第一通訊單位。
 

　　有機(jī)太陽能電池憑借質(zhì)輕、柔性、半透明、可通過印刷技術(shù)實(shí)現(xiàn)低成本大規(guī)模制備等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，被公認(rèn)為下一代可持續(xù)光伏技術(shù)的核心發(fā)展方向之一。張茂杰教授研究團(tuán)隊(duì)長期致力于有機(jī)光伏聚合物給體材料的分子設(shè)計(jì)與器件工程研究，通過系統(tǒng)的分子工程策略實(shí)現(xiàn)了材料性能的階梯式提升，形成了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的寬帶隙聚合物給體材料體系。該團(tuán)隊(duì)于2015年自主設(shè)計(jì)合成的經(jīng)典寬帶隙聚合物給體PM6(Adv. Mater. 2015, 27, 4655)，憑借優(yōu)異的光電性能、良好的普適性與加工穩(wěn)定性，在基于富勒烯、非富勒烯以及聚合物受體等各類有機(jī)光伏器件中均展現(xiàn)出卓越性能，現(xiàn)已成為有機(jī)光伏領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的標(biāo)桿性給體材料。
 

　　在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出缺電子單元三元共聚調(diào)控策略，對(duì)聚合物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)與光電性能進(jìn)行優(yōu)化：(1)2020年，通過引入噻唑并噻唑(TTz)缺電子單元，開發(fā)出批次重復(fù)性優(yōu)異的PM1共聚物。該材料通過協(xié)同優(yōu)化結(jié)晶性、給體-受體相容性及電荷遷移率，將單結(jié)有機(jī)太陽能電池效率提升至當(dāng)時(shí)國際領(lǐng)先水平(Nat. Commun.2020,11, 46)。PM1作為PM6的升級(jí)換代材料，在與Y6、L8-BO、BTP-eC9等主流非富勒烯受體匹配的器件中展現(xiàn)出優(yōu)異的光電性能與穩(wěn)定性，已成為當(dāng)前有機(jī)光伏領(lǐng)域極具產(chǎn)業(yè)化潛力的新型明星給體材料。(2)2021年，將聯(lián)噻唑(BTz)缺電子單元嵌入PM6主鏈構(gòu)建PM6-Tz20 共聚物，實(shí)現(xiàn)了活性層中相區(qū)尺寸的有效調(diào)控，使器件填充因子實(shí)現(xiàn)大幅提升(Angew. Chem. Int. Ed.2021, 60, 2322)。(3)2022年，通過引入酯基取代吡嗪(DTCPz)缺電子單元開發(fā)PMZ系列共聚物，系統(tǒng)揭示第三組分對(duì)降低聚合物HOMO能級(jí)、增強(qiáng)分子結(jié)晶性的雙重作用機(jī)制，闡明了其對(duì)能級(jí)梯度與相分離行為的調(diào)控規(guī)律(Chem. Eng. J., 2022, 137424)。(4)2025年，將TTz單元整合至PM7主鏈構(gòu)建PM7-TTz50共聚物，構(gòu)建PM7-TTz50，通過協(xié)同優(yōu)化溶解性、增強(qiáng)分子有序堆積與電荷傳輸，顯著提升了材料的非鹵化溶劑加工性能(Adv. Energy Mater.2025, 15, 2500024)。上述研究成果構(gòu)建了目前綜合性能最優(yōu)異、研究最廣泛的寬帶隙聚合物給體材料體系。
 

　　在本次最新研究中，團(tuán)隊(duì)延續(xù)并升華了前期的三元共聚分子設(shè)計(jì)理念，創(chuàng)新性地將硅氧烷官能化、構(gòu)象剛性且具有吸電子的DTCPz-SiO單元區(qū)域無規(guī)地引入D18聚合物主鏈中，制備得到DN1(5mol%)和DN2(10mol%)兩種新型三元共聚物。該分子設(shè)計(jì)策略將硅氧烷基團(tuán)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)與缺電子單元的電子結(jié)構(gòu)調(diào)控作用相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了材料光電性能、聚集行為與加工性能的協(xié)同優(yōu)化。優(yōu)化后的三元共聚物DN1展現(xiàn)出優(yōu)異性能：在氯仿加工條件下實(shí)現(xiàn)了20.1%的光電轉(zhuǎn)換效率，在非鹵溶劑加工條件下仍能保持約19.5%的效率。DTCPz-SiO單元發(fā)揮了多重核心作用：其構(gòu)象剛性與分子內(nèi)非共價(jià)相互作用可增強(qiáng)主鏈平面性、強(qiáng)化π-π堆積，同時(shí)抑制過度聚集；改善材料在非鹵溶劑中的加工性，并精細(xì)調(diào)控給體-受體的相容性；加深HOMO能級(jí)，提升開路電壓；引入DTCPz-SiO可加速結(jié)晶，同時(shí)緩解三元共聚物對(duì)層狀有序性的削弱，從而維持有利于高效電荷傳輸?shù)姆肿佣逊e。這些協(xié)同效應(yīng)使BHJ中形成了優(yōu)化的纖維狀相分離形貌，實(shí)現(xiàn)了高效的界面電荷轉(zhuǎn)移、平衡的空穴/電子遷移率，并抑制了非輻射復(fù)合。
 

　　此外，基于DN1:L8-BO:AITC的三元OSCs在氯仿和非鹵加工條件下的PCE分別進(jìn)一步提升至20.9%和20.0%。這種小于5%的效率損失優(yōu)于大多數(shù)可非鹵溶劑加工的有機(jī)太陽能電池，符合工業(yè)卷對(duì)卷制造的需求。綜上，將硅氧烷連接的構(gòu)象剛性構(gòu)筑單元引入給體聚合物，解決了效率、形貌控制與非鹵溶劑加工性之間長期存在的權(quán)衡難題，為有機(jī)太陽能電池的分子工程與可持續(xù)發(fā)展提供了通用框架。
 

　　相關(guān)研究成果得到山東省自然科學(xué)基金、山東省泰山學(xué)者項(xiàng)目、山東大學(xué)杰出中青年學(xué)者和山東大學(xué)齊魯青年學(xué)者計(jì)劃的資助和支持。山東大學(xué)結(jié)構(gòu)成分與物性測(cè)量平臺(tái)為材料結(jié)構(gòu)表征提供了重要支持。
 

　　引用：張茂杰教授團(tuán)隊(duì)在高效非鹵加工有機(jī)光伏給體材料領(lǐng)域取得新進(jìn)展 山東大學(xué)【引用時(shí)間：2026年05月29日】