有機太陽能電池（ OSCs）因質量輕、柔性好、效率高等優勢，成為近幾年的研究熱點。盡管單節有機太陽能電池的能量轉化效率已超過19%，但光伏材料仍限制有機太陽能電池的發展。在前期研究過程中，山二醫鄭冰博士利用位阻效應、分子量調控、末端修飾等方法，制備出多種高效率、批次穩定的聚合物給體（Adv. Sci. 2022, 9, 2105430; Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2300981; Sci. China Chem. 2022, 65, 964-972; Nano Energy 2024, 123, 109397; Mater. Chem. Front. 2025, 9, 847-855）。通過研究發現，聚合物給體的批次差異主要源于聚合物分子量變化，精確控制各批次聚合物分子量難度較大。小分子給體結構明確， 批次差異小，但其器件穩定性較低，難以保證器件長久穩定運行。

圖1 a) DZ-1和DZ-2的分子結構；b) 巨分子給體溶液和薄膜的紫外吸收光譜；c) 有機光伏器件中各材料的能級圖；d) DZ-1和DZ-2純膜的GIWAXS 測試。

近年來， “ 巨分子 ” 的合成策略因簡單的制備工藝和有效的分子改性效果，受到科研人員的高度關注。利用該策略制備的二聚體受體材料展現出良好的光伏性能和高 T g ，顯著提升有機光伏器件的熱穩定性。 基于此，山二醫鄭冰博士團隊以BTR-Cl為單體分子，通過共價鍵連接，制備出面對面型巨分子給體材料DZ-1和DZ-2。通過對比兩個材料的紫外吸收光譜，發現DZ-2由于末端支鏈位阻較大，從而減緩了分子過度聚集，優化給受體分子間的共混性，提高分子間電荷傳輸性能。最終，基于DZ-2:Y6的二元器件實現超過13%的光伏效率。另一方面，由于大分子量二聚體給體具有較高的玻璃轉換溫度，因此基于二聚體給體的二元器件展現出優秀的器件穩定性。

圖2 a)-c) BTR-Cl，DZ-1，DZ-2的玻璃轉化溫度；d) BTR-Cl、DZ-1、DZ-2的結晶溫度；e) 基于BTR-Cl，DZ-1，DZ-2光伏器件的光穩定性測試；f) 基于BTR-Cl，DZ-1，DZ-2光伏器件的熱穩定性測試 。

為了開發高性能有機光伏器件，該團隊將巨分子給體作為第三組分加入 PM6:L8-BO體系。由于巨分子DZ-2在三元活性層中具有良好的共混性和適度的分子堆積，促進電荷在活性層中進行3D電荷傳輸，最終基于PM6:DZ-2:L8-BO的三元光伏器件實現19.07%的PCE。同時，較高玻璃轉換溫度的巨分子給體錨定了活性層網絡，顯著提升三元器件光伏性能穩定性。 該研究開發了新型的巨分子給體材料，不僅為開發新型巨分子給體提供設計參考，也為提升有機光伏器件效率和穩定性提供了中研究思路。

圖3 a) PM6:L8-BO和PM6:GDDs:L8-Bo混合膜的GIWAXS測試。b) 巨分子給體在三元活性層中的作用概念圖。

相關研究結果以 “Face-to-Face Type Giant Dimeric Donors Synergistically Improve the Stability and Efficiency of Organic Solar Cells”發表在《Journal of Materials Chemistry A》上。該文章通訊作者為山東第二醫科大學鄭冰博士、王斌副教授，中國科學院理化技術研究所江雷院士團隊岳鈺琛博士和北京航空航天大學霍利軍教授。山東第二醫科大學本科生曾蘭迪與和永瑞副教授為論文第一作者。特別感謝北京交通大學張福俊教授、馬曉玲副教授在器件測試方面為本研究提供的幫助；感謝山東第二醫科大學 周旭聰博士在理論計算方面提供的幫助。

https://doi.org/10.1039/D5TA03700J

來源：高分子科學前沿

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