实验室段春晖教授团队：调控线性共轭聚合物聚集行为实现高效率有机太阳电池

有机太阳电池因轻质、柔性及可溶液加工等优势，成为下一代光伏技术的有力候选者。然而，高性能材料往往复杂结构、成本高昂，这成为制约其产业化的关键瓶颈。线性共轭聚合物虽具有结构简单、合成便捷、成本低廉的优势，但其活性层形貌难以精准调控，器件性能始终与复杂材料体系存在差距。

近日，华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室的段春晖教授课题组通过精准调控线性共轭聚合物在溶液中的聚集行为及其固态薄膜形貌，成功实现了基于低成本聚合物材料有机太阳电池效率突破，为发展高性能、低成本光伏技术提供了新路径。

该工作设计合成了不同氯取代比例的PTTz-Clx系列聚合物。氯原子的引入不仅有助于调节能级，其参与的Cl···S非共价相互作用还可增强分子平面性和链间堆积，从而系统调控聚合物在溶液中的聚集状态及结晶动力学。

随着氯取代比例增加，聚合物的溶液聚集能力逐步增强，但与受体的热力学相容性相应下降。适度氯取代的PTTz-Cl50在聚集能力与相容性之间取得了最佳平衡，使给体与受体在成膜过程中能够有序组装，最终形成相区尺寸适中、界面丰富的双连续互穿网络结构。这种形貌促进了高效的激子解离、平衡的电荷传输，并抑制了非辐射复合。基于PTTz-Cl50的有机太阳电池实现了20.42%的光电转换效率。器件在持续光照400小时后仍保持80%的初始效率，并展现出对绿色溶剂体系的良好加工适应性。

这项工作不仅刷新了线性共轭聚合物有机太阳电池的效率纪录，更揭示了聚集行为-成膜动力学-活性层形貌-器件性能之间的构效关系，为设计高性能、低成本有机光伏材料提供了指导。

图1. 线性共轭聚合物设计及有机太阳电池效率统计

相关研究成果以“Chlorination-controlledaggregation and film-formation kinetics enabling high-efficiency organic solarcells with low-cost linear conjugated polymers”为题发表在Nature Communications上，其中通讯作者为华南理工大学段春晖教授、吴宝奇博士，武汉工程大学刘治田教授及中国散裂中子源王黎明博士。第一作者为华南理工大学尹冰艳博士和武汉工程大学陈志力博士。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省科技计划、广东省基础与应用基础研究、广东省创新创业研究团队以及中国博士后科学基金等科研项目的资助。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-69051-6