近年来，基于非富勒烯有机太阳能电池（OSC）取得了空前的发展，光电转换效率（PCE）记录屡创新高，目前已经突破了18%。除了非富勒烯受体材料的创新外，聚合物给体材料的发展也是提高PCE的主要驱动力之一，其一般为D-A共聚物，负责传输空穴。高性能给体材料包括甲酸酯类、苯并二噻吩二酮类、噻唑类等等。二维苯并二噻吩（BDT）给体单元通过在苯环上引入烷基噻吩侧链，一方面增加了共轭平面，增强了分子间π-π相互作用，有利于电荷传输；另一方面，调节了分子结晶性，有利于获得理想的共混膜形貌，是目前应用最为成功的给体单元。
图1:PTB7、PC71BM分子与光谱性质早在年，芝加哥大学俞陆平教授课题组就首先基于BDT单元以及酯基取代并噻吩（TT）单元进行共聚合成了一系列聚合物给体材料，PTB1至PTB6[1]。在此基础上，研究人员还发现在TT单元上嵌入氟原子可以降低给体材料的HOMO能级，从而有利于开路电压（VOC）的提升。于是，年，该课题组在PTB1的合成基础上，向TT单元上引入F原子合成了新型聚合物给体材料PTB7（PCE9），其在nm处仍有吸收，光学带隙为1.63eV，HOMO/LUMO能级分别为-5.14/-3.51eV[2]。相对于PTB1的器件，基于PTB7:PC71BM器件的VOC未显示较大的变化，而短路电流密度（JSC）和填充因子（FF）均有所提升，分别为13.0mAcm-2和0.，最终使得PCE达到了7.40%。该器件性能的提升可归因于其活性层的形貌的改善。
图2:三元混合OSC相关分子结构及性质年，台湾国立清华大学ChenShow-An教授课题组通过将2-乙基己基-噻吩引入到PTB7中BDT单元的侧链上合成了窄带隙聚合物给体PTB7-Th（PCE10），以此来完成增强主链的共面性的设想[3]。研究结果显示，相对于PTB7，PTB7-Th的吸收发生了25nm的显著红移，最大吸收波长在nm处，在nm处仍有吸收，其光学带隙为1.58eV，HOMO与LUMO能级分别为-5.22和-3.64eV。基于PTB7-Th:PC71BM的OSCs获得了更高的的JSC为15.73mAcm-2，VOC为0.80V，FF为0.，其PCE更是进一步提高到9.35%。研究人员认为，将2-乙基己基-噻吩引入到BDT的侧链上不仅可以增强其分子的平面性同时还提高了给体单元的给电子能力，从而拓宽吸收光谱、增大摩尔消光系数以及降低HOMO能级，进而VOC、JSC以及FF均得以提高。近日，南方科技大学郭旭岗教授就利用PBDB-T、PTB7-Th作为给体，以聚合物DCNBT-TPC作为受体，制备了三元混合全聚合物OSCs，优化后的最终器件的PCE高达12.1%，JSC为21.9mAcm-2。此外，该器件还具有良好的光稳定性，在光照小时后PCE仍能保留初始值的68%，比绝大部分二元混合全聚合OSCs更为稳定[4]。
图3:PffBT4T-2DT等分子结构与性质除了BDT单元经常被用来设计聚合物给体材料，基于氟取代苯并噻二唑单元（ffBT）的给体材料也一直是近年来的研究热点，苯并噻二唑（BT）单元通过引入强吸电子的F原子后增强了其结构的平面性以及空穴迁移率。年，华南理工大学陈军武教授课题组报道了一种低带隙共轭聚合物PffBT4T-2DT（PCE11），他们发现BT单元具有同时降低HOMO和LUMO能级的作用，而且改变氟化作用强度也可以在一定范围内轻微调整HOMO和LUMO能级值，最终该分子具有很强的链间聚集性和很高的空穴迁移率，可用于高性能厚膜聚合物OSCs[5]。当活性层厚度为-nm，基于PffBT4T-2DT:PC71BM的最终器件PCE值均在6.5%以上，其中厚度为nm的器件PCE最高，达到了7.64%。而后，香港科技大学的颜河教授课题组报道了另一种聚合物给体PffBT4T-2OD（PCE11b）。该分子吸收光谱较宽，结晶度较高，当与PC71BM匹配时，VOC为0.77V，JSC为18.8mAcm-2，FF为0.75，最终器件的最佳PCE达到了10.8%[6]。
虽然目前OSCs的效率已经突破了18%，但跟硅基太阳能电池比起来还是有一定的差距，其次OSCs稳定性不高，寿命较短。因此，OSCs的发展还有很长的路要走。相信在众多出色的科学家们的共同努力下，通过不断改进OSCs相关分子和器件结构，最终必将获得具有理想PCE的给受体材料及优异的OSCs器件结构并实现产业化生产。
参考文献：
[1]J.Am.Chem.Soc.,,-.
[2]Adv.Mater.,22,E-E.
[3]Adv.Mater.,25,-.
[4]Adv.Funct.Mater.,31,.
[5]Adv.Mater.,26,-.
[6]Nat.Commun.,5,.
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