作者：Xiao Kang, Jianxiao Wang, Xin Jing, Zhengkun Du, Hongxiang Li, Fuzhen Bi, Mingliang Sun*, Xichang Bao*, Junhao Chu

01 论文信息

论文信息

Xiao Kang, Jianxiao Wang, Xin Jing, Zhengkun Du, Hongxiang Li, Fuzhen Bi, Mingliang Sun, Xichang Bao and Junhao Chu. Benzodifuran-Based Polymer Donors for Binary All-Polymer Solar Cells with Nearly 18% Efficiency[J].Green Carbon, 2025.

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2025.02.006

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Benzodifuran-based polymer donors for binary all-polymer solar cells with nearly 18% efficiency

中文解读原链接

Green Carbon文章 | 青岛能源所包西昌研究员、中国海洋大学孙明亮教授：高性能苯并呋喃基聚合物给体的设计开发

02 背景简介

近年来，有机太阳能电池（OSCs）性能的快速突破主要归功于给/受体材料的不断开发，尤其是大规模Y体系受体的合成。相比之下，高性能给体材料的种类较少，发展较为缓慢。常规给体材料主要基于苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩（BDT）给体单元，如D18和PM6，主要依赖于经典“弱给体-强受体”设计策略，这限制了给体材料的多样性开发。众所周知，苯并[1,2-b:4,5-b']二呋喃（BDF）给体单元具有环境友好、分子间相互作用强、位阻最小等明显优势，是BDT的潜在替代者。但受限于聚集性强，经典设计策略和构建受体模块难以匹配，导致材料性能较差。

近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所包西昌研究员、中国海洋大学孙明亮教授在Green Carbon发表题为“Benzodifuran-Based Polymer Donors for Binary All-Polymer Solar Cells with Nearly 18% Efficiency”研究文章。本工作提出一种“强给体-弱受体”的设计策略，以BDF作为强给体单元合成了两种新型高性能聚合物给体，并创下了BDF基二元全聚合物太阳能电池的记录效率。

03 文章简介

材料合成

以BDF为给体结构单元，提出了一种“强给体-弱受体”的设计策略，合成了两个氟化和氯化 BDF基聚合物给体材料。长烷基链的空间位阻效应可以有效防止DTQ的过度结晶，BDF的强分子间相互作用补偿了受体单元的结晶减少和电荷传输，对稳定分子取向、减小空间位阻和缓解分子聚集具有重要贡献。

图1. “强给体-弱受体”的设计策略

基本特性

与氟代噻吩相比，氯代噻吩使侧链区域具有均匀且更大面积的负静电势（ESP）分布，有利于分子结晶性的增强。同时，氯代噻吩侧链较低的垂直电离能 （ALIE）值，使侧链具备更强的电子接受能力，有利于实现从受体到给体单元的电荷转移。

图2. PQR16-BFCl和PQR16-BFF的分子电子结构

光伏性能

基于新型聚合物PQR16-BFCl和PQR16-BFF与PY-IT共混制备的二元器件分别获得17.91%和17.27%的效率，并具有较低的电压损失以及良好的稳定性。

图3. PQR16-BFCl和PQR16-BFF的光伏性能

总结与展望

本工作提出“强给体-弱受体”概念，合成了两种BDF基新型聚合物 PQR16-BFCl 和 PQR16-BFF，实现了接近18%的光电转换效率，创造了BDF基二元全聚合物太阳能电池的新纪录，丰富了高性能给体材料的种类。值得注意的是，这些聚合物具有良好的溶解性和加工性能，将为大面积刮涂和工业化生产提供便利。

04 作者简介

包西昌 研究员

包西昌，博士，研究员，博士生导师，中国科学院青岛生物能源与过程研究所先进功能材料与器件研究组组长。2010年博士毕业于中国科学院上海技物所后，加入中国科学院青岛生物能源与过程研究所。近年来致力于新型光电材料与器件（太阳能电池、光电探测器）、半导体物理、功能复合金属电极材料方面研究，取得了多项重大原创性引领性研究成果。以通讯作者在Nat. Commun.、 Angew. Chem. Int. Ed.、 Energy Environ. Sci.、 Adv. Mater.、 Adv Energy Mater.等期刊上发表文章150余篇，授权中国发明专利10余项。多次荣获优秀导师称号，指导的研究生获得中国科学院院长奖、北京市优秀毕业生、国科大优秀毕业生、国家奖学金等荣誉。

孙明亮 教授

孙明亮，博士、教授、博士生导师，入选“教育部新世纪优秀人才”和“香江学者”，“科技部重点领域创新团队”核心成员；国家科学技术奖励评审专家、国家重点研发计划项目函评及会评专家、国家自然科学基金函评专家、Polymers期刊编委、Green Carbon青年编委。2008年于华南理工大学硕博连读并获博士学位，2007-2008 年加州大学洛杉矶分校材料学专业，联合培养博士；2013 -2014 香港城市大学“香江学者计划”博士后研究员；2008至今在中国海洋大学材料科学与工程学院任教授、博导，主要研究方向为共轭有机半导体小分子和聚合物材料合成及其在太阳能电池、发光二极管、电化学发光池、场效应晶体管、可穿戴柔性光电器件中的应用，海洋防污防腐材料。近年来在Adv. Mater.、 Small、 Macromolecules等国内外期刊发表SCI收录论文140余篇。 

05 Green Carbon

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