聚合物太阳能电池（PSC）因质轻、柔性、可制成半透明器件以及溶液加工等优势受到广泛关注。高效率PSC体系通常由稠环小分子受体（SMA）与聚合物给体共混形成，经过精细调控形貌以提高性能。然而， SMA在共混薄膜中易于结晶和扩散，这导致了PSC活性层形貌的不稳定性。为了解决这一问题，北京化工大学张志国教授课题组设计合成了一系列链接受体分子（TSMAs），这些新型受体分子通过扩大分子体积，在提高玻璃化转变温度(T_g) 的同时，仍能保持分子末端的良好堆叠。这些设计使得器件在保持良好稳定性的同时保持了优异的能量转换效率(Adv. Mater. 2023, 35, 2206563; Nat. Commun. 2023, 14, 2926; Adv. Mater. 2024, 36, 2308606)。

增加受体的T_g可以减小其在共混薄膜中的扩散系数，从而提升形貌的稳定性。为此，需要增加链接受体分子中的SMA单元个数。然而，由于SMA单元受到柔性烷基链的限制，这也增加了SMA单元排列的复杂程度和无序性，损害了器件效率。该工作中，他们构筑了星型C3h-取代的分子构型，制备了链接三聚体，有效地解决了这一矛盾。研究发现，三聚体中SMA单元的超分子相互作用显著提升了T_g和结晶度，并导致了相对于二聚体更红移的吸收光谱，这些特性也转化为更优异的光伏性能(18.2%)。张志国教授与中科院化学所易院平研究员为本文通讯作者，硕士生常博文和和博士生张要刚为共同第一作者。

图1. 材料设计思路与性能对比

在本工作中，他们首先对TSMAs中芳香核的连接位点进行异构化设计，成功合成出了两种新型对位取代的BDY-α和间位取代的BDY-β。随后，基于BDY-β的结果，通过增加Y6单元的数量，合成了链接三聚体BTY。掠入射广角X射线散射（GIWAXS）结果表明，从对位构象到间位构象再到星型C3h分子构型，受体材料的堆积逐渐呈现出有序化趋势。同时，动力学模拟（MD）显示，TSMAs中的芳香核可以作为电荷传输的通路，而BTY具有最佳的堆积性能。此外，根据计算得到的Flory-Huggins常数（χ），PM6: BTY体系表现为较低混溶性体系。原子力显微镜（AFM）和透射电子显微镜（TEM）结果也表明，BTY体系有着更合适的相分离。基于这些结果，PM6: BTY体系实现了18.24%的最高能量转换效率，其短路电流密度（J_SC）为27.06 mA cm^-2，创下了寡聚体二元器件中的最高值。另一方面，BTY具有目前TSMAs体系中的最高T_g，有效抑制了受体分子在老化过程中的扩散行为，从而使得活性层形貌在热退火过程中能保持优异的稳定性。PM6: BTY体系在1200 小时后的热老化后，仍保有近95%的初始效率。

论文信息：

B. Chang, Y. Zhang, C. Zhang, M. Zhang, Q. Wang, Z. a. Xu, Q. Chen, Y. Bai, H. Fu, S. Meng, L. Xue, S. Kim, C. Yang, Y. Yi*, Z.-G. Zhang*, Tethered Trimeric Small-molecular Acceptors through Aromatic-core Engineering for Highly Efficient and Thermally Stable Polymer Solar Cells, Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202400590.

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202400590