基于给/受体双重相似性“桥联”聚合物受体的侧链工程构筑高性能三元有机太阳能电池

doi:10.7503/cjcu20250324

高等学校化学学报 ›› 2026, Vol. 47 ›› Issue (4): 20250324.doi: 10.7503/cjcu20250324

基于给/受体双重相似性“桥联”聚合物受体的侧链工程构筑高性能三元有机太阳能电池

刘苗苗¹^,², 傅梦然¹^,², 高蝶², 张万鹏¹, 梁莹², 何媛媛³, 赵巧巧¹(), 赵廷兴²(), 李鸿波², 丁自成⁵, 韩艳春⁴()

^1.齐鲁工业大学(山东省科学院)绿色造纸与资源循环全国重点实验室, 济南 250353
^2.西南科技大学材料与化学学院, 绵阳 621010
^3.重庆大学材料科学与工程学院, 重庆 400044
^4.中国科学院长春应用化学研究所高分子科学与技术全国重点实验室, 130022
^5.陕西师范大学材料科学与工程学院, 西安 710119

收稿日期:2025-10-31 出版日期:2026-04-10 发布日期:2026-01-10
通讯作者: 赵巧巧,赵廷兴,韩艳春 E-mail:18766192180@163.com;tingxingzhao@swust.edu.cn;ychan@ciac.ac.cn

Side-chain Engineering of “Bridging” Polymer Acceptors with Donor/Acceptor Dual Similarity for High-performance Ternary Organic Solar Cells

LIU Miaomiao¹^,², FU Mengran¹^,², GAO Die², ZHANG Wanpeng¹, LIANG Ying², HE Yuanyuan³, ZHAO Qiaoqiao¹(), ZHAO Tingxing²(), LI Hongbo², DING Zicheng⁵, HAN Yanchun⁴()

^1.State Key Laboratory of Green Papermaking and Resource Recycling，Qilu University of Technology，Shandong Academy of Sciences，Jinan 250353，China
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^4.State Key Laboratory of Polymer Science and Technology，Changchun Institute of Applied Chemistry，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130022，China
^5.School of Materials Science and Engineering，Shaanxi Normal University，Xi’an 710119，China

Received:2025-10-31 Online:2026-04-10 Published:2026-01-10
Contact: ZHAO Qiaoqiao, ZHAO Tingxing, HAN Yanchun E-mail:18766192180@163.com;tingxingzhao@swust.edu.cn;ychan@ciac.ac.cn
Supported by:
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摘要/Abstract

摘要：

活性层形貌对有机太阳能电池(OSCs)的光伏性能具有决定性影响. 然而, 二元共混体系通常因不合适的相分离形貌而导致太阳能电池器件效率受限. 本文通过将苯并二噻吩(BDT)单元作为给电子基团{类似于聚[(2,6-{4,8-双[5-(2-乙基己基-3-氟)噻吩-2-基]-苯并[1,2-b∶4,5-b′]二噻吩})-交替-{5,5-[1′,3′-二-2-噻吩-5,7-双(2-乙基己基)苯并[1′,2′-c∶4′,5′-c′]二噻吩-4,8-二酮]}](D18)的给电子单元}, 与作为受体基团的(2,2′-{(2Z,2′Z)-[12,13-双(2-丁基辛基)-12,13-二氢-3,9-二壬基噻吩并[2,3]噻吩并[3,2-b]吡咯并[4,5-g]噻吩并[2,3-b]吲哚-2,10-二基]双(甲亚基)}双(3-氧代-2,3-二氢-1H-茚-2,1-二亚基))二丙二腈(Y6)衍生物相结合, 设计合成了两种“桥接”型聚合物受体(PAs), 即苯并二噻吩-(2-乙基己基)氧基(BDT-C₂C₄)和苯并二噻吩-辛氧基(BDT-C₈), 对应BDT单元上的侧链分别为(2-乙基己基)氧基和辛氧基侧链. 这两种聚合物受体与给体D18、受体2,2′-((2Z,2′Z)-{[12,13-双(2-丁基辛基)-3,9-二壬基-12,13-二氢-[1,2,5]噻二唑并[3,4-e]噻吩并[2",3"∶4′,5′]噻吩并[2′,3′∶4,5]吡咯并[3,2-g]噻吩并[2′,3′∶4,5]噻吩并[3,2-b]吲哚-2,10-二基]双(甲亚基)}双(5,6-二氟-3-氧代-2,3-二氢-1H-茚-2,1-二亚基)) 二丙二腈(N3)呈现出互补的吸收光谱和梯度能级结构, 其中BDT-C₈与D18、 N3的相容性优于BDT-C₂C₄. 当将两种PAs作为第三组分加入至D18∶N3混合体系时, 活性层形貌均得到显著改善. 其中D18∶N3∶BDT-C₈ 三元共混体系表现出显著优化的形貌特征, 即相分离尺度更小, 并形成纤维状网络结构. 最终, 基于 D18∶N3∶BDT-C₈构筑的器件实现了18.18%的功率转化效率, 显著高于二元器件(约17.37%). 本文提出了一种相容剂策略来优化三元有机太阳能电池的共混形貌和光伏性能, 能有效减小活性层的相分离形貌, 提高器件效率.

关键词: 有机太阳能电池, 三元策略, 聚合物受体, 活性层形貌

Abstract:

The morphology of active layer plays a critical role in determining the photovoltaic performance of organic solar cells（OSCs）. However， binary blends often suffer from suboptimal phase separation， which limits the efficiency of OSCs. Herein， two bridging polymer acceptors（PAs）—benzodithiophene-（2-ethylhexyl）oxy（BDT-C₂C₄） and benzodithiophene-octyloxy（BDT-C₈）—are designed and synthesized by combining a benzodithiophene（BDT） unit as the donor moiety［poly（｛4，8-bis［5-（2-ethylhexyl）-4-fluorothiophen-2-yl］benzo［1，2-b：4，5-b'］dithiophene-2，6-diyl｝）｛5，8-bis［4-（2-butyloctyl）thiophen-2-yl］dithieno［3'，2'：3，4］｝， D18］， and a 2，2′-（（2Z，2′Z）-｛［12，13-Bis（2-butyloctyl）-12，13-dihydro-3，9-dinonylthieno［2，3］thieno［3，2-b］pyrrolo［4，5-g］thieno［2，3-b］indole-2，10-diyl］bis（methanylylidene）｝bis（3-oxo-2，3-dihydro-1H-indene-2，1-diylidene））dimalononitrile（Y6） derivative as the acceptor moiety. BDT-C₂C₄ and BDT-C₈ are functionalized with （2-ethylhexyl）oxy and octyloxy side chains on the BDT unit， respectively. Both PAs show complementary absorption and cascaded energy levels with the donor D18 and the acceptor 2，2′-（（2Z，2′Z）-｛［12，13-bis（3-ethylheptyl）-3，9-diundecyl-12，13-dihydro-［1，2，5］thiadiazolo［3，4-e］thieno ［2″，3″∶4′，5′］thieno［2′，3′∶4，5］pyrrolo［3，2-g］thieno［2′，3′∶4，5］thieno［3，2-b］indole-2，10-diyl］bis（methaneylylidene）｝bis（5，6-difluoro-3-oxo-2，3-dihydro-1H-indene-2，1-diylidene））dimalononitrile（N3）， but BDT-C₈ exhibits better compatibility with D18 and N3 compared to BDT-C₂C₄. When incorporated as a third component into the D18∶N3 blend， both PAs improve the active layer morphology. In particular， the D18∶N3∶BDT-C₈blend shows significantly optimized morphology， featuring reduced phase separation and a fibrous network structure. As a result， the device based on D18∶N3∶BDT-C₈ achieves a power conversion efficiency of 18.18%， significantly higher than that of the device based on D18∶N3（ca.17.37%）. This work presents a compatibilizer strategy for optimizing blend morphology towards high-performance ternary OSCs.

Key words: Organic solar cell, Ternary strategy, Polymer acceptor, Active layer morphology

中图分类号:

O631.2

TrendMD:

刘苗苗, 傅梦然, 高蝶, 张万鹏, 梁莹, 何媛媛, 赵巧巧, 赵廷兴, 李鸿波, 丁自成, 韩艳春. 基于给/受体双重相似性“桥联”聚合物受体的侧链工程构筑高性能三元有机太阳能电池. 高等学校化学学报, 2026, 47(4): 20250324.

LIU Miaomiao, FU Mengran, GAO Die, ZHANG Wanpeng, LIANG Ying, HE Yuanyuan, ZHAO Qiaoqiao, ZHAO Tingxing, LI Hongbo, DING Zicheng, HAN Yanchun. Side-chain Engineering of “Bridging” Polymer Acceptors with Donor/Acceptor Dual Similarity for High-performance Ternary Organic Solar Cells. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(4): 20250324.

图/表 8

Fig.1 Chemical structures of D18, N3, BDT⁃C2C4 and BDT⁃C8(A), the normalized UV⁃Vis absorption spectra of neat film(B) and blend film(C), and energy levels of D18, N3, BDT⁃C2C4 and BDT⁃C8(D)

Fig.2 Contact angles of water(A) and ethylene glycol(B) on the surface of D18, N3, BDT⁃C2C4 and BDT⁃C8 films and the Flory⁃Huggins interaction parameter between PAs and D18/N3(C)

Fig.3 TEM images of D18∶N3(A), D18∶N3∶BDT⁃C2C4(B), and D18∶N3∶BDT⁃C8 blend films(C)

Fig.4 Diagram of a conventional OSC device structure(A), J⁃V curves(B), and EQE curves(C) of the OSCs based on different active layers

Table 1 Photovoltaic parameters of the OSCs based on different active layers

Active layer	V_oc/V	J_sc/（mA∙cm^-2）	J $c a l *$ /（mA∙cm^-2）	FF（%）	PCE（%）
D18∶N3	0.833	27.39	26.84	76.20	17.37
D18∶N3∶BDT⁃C₂C₄	0.846	27.46	27.32	75.75	17.60
D18∶N3∶BDT⁃C₈	0.849	28.08	27.92	76.25	18.18

Table 1 Photovoltaic parameters of the OSCs based on different active layers

Active layer	V_oc/V	J_sc/（mA∙cm^-2）	J $c a l *$ /（mA∙cm^-2）	FF（%）	PCE（%）
D18∶N3	0.833	27.39	26.84	76.20	17.37
D18∶N3∶BDT⁃C₂C₄	0.846	27.46	27.32	75.75	17.60
D18∶N3∶BDT⁃C₈	0.849	28.08	27.92	76.25	18.18

Fig.5 Hole⁃only(A) and electron⁃only mobilities(B) of the different active layers measured using the SCLC method, and comparison of the hole and electron mobilities and their ratios in different active layers(C)a. D18∶N3; b. D18∶N3∶BDT-C2C4; c. D18∶N3∶BDT-C8.

Fig.6 TPC curves(A) and TPV curves(B) for the devices based on D18∶N3(a), D18∶N3∶BDT⁃C2C4(b) and D18∶N3∶BDT⁃C8(c)

Fig.7 Light stability of the devices

参考文献 40

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基于给/受体双重相似性“桥联”聚合物受体的侧链工程构筑高性能三元有机太阳能电池

Side-chain Engineering of “Bridging” Polymer Acceptors with Donor/Acceptor Dual Similarity for High-performance Ternary Organic Solar Cells

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