综述：高性能质子交换膜水电解器用催化剂和界面工程的最新进展

《MATERIALS SCIENCE & ENGINEERING R-REPORTS》：Recent advances in catalysts and interface engineering for high-performance proton exchange membrane water electrolyzers

全聚合物太阳能电池通过引入Qx单元构建三元共聚物，优化活性层形貌并降低能量损失，使器件效率达到19.10%，VOC提升至0.986V，E_loss降至0.486eV。

　　全聚合物太阳能电池（all-PSCs）作为一种新型的光伏技术，因其优异的机械柔韧性、可拉伸性、光学稳定性以及低成本制造潜力，被认为是可再生能源领域的重要前沿技术之一。这些特性使得全聚合物太阳能电池在柔性电子、可穿戴设备和建筑一体化光伏等领域展现出广阔的应用前景。然而，尽管全聚合物太阳能电池在性能上已经取得了显著进步，其能量转换效率（PCE）仍落后于钙钛矿太阳能电池，主要原因在于其较高的能量损失（E_loss）以及开路电压（V_OC）与短路电流密度（J_SC）之间的权衡关系。因此，如何有效降低能量损失、优化活性层形貌，并同时提升V_OC、J_SC和填充因子（FF）成为当前研究的重点。

在本研究中，科研团队通过引入一种新型的六氟二氢喹喔啉（Qx）单元，成功开发出一系列基于PM6主链的三元共聚物（PM6-Qx5、PM6-Qx10和PM6-Qx15）。这些三元共聚物的设计目标是通过分子结构的调整，改善全聚合物太阳能电池的性能。Qx单元因其较强的电子吸叞性，被预期能够有效降低所得三元共聚物的最高占据分子轨道（HOMO）能量水平，从而提升开路电压（V_OC）。此外，Qx单元的引入还可能增强聚合物主链上的喹喔啉共振效应，减少分子重组能，进一步降低能量损失（E_loss）。同时，由于Qx具有比PM6主链中苯并[1,2-c:4,5-c′]二噻吩-4,8-二酮（BDD）单元更强的分子偶极矩，其在三元共聚物中的存在有望增强共聚物供体与受体之间的分子间偶极相互作用，从而优化活性层的相分离状态，提升电荷传输效率。

实验结果表明，这些三元共聚物在HOMO能量水平、静电势以及与受体材料PY-DT的相容性方面均表现出显著的提升。特别是PM6-Qx10，其在分子内和分子间相互作用的平衡方面表现最佳，形成了有利于电荷生成和传输的纤维状网络形貌。这种结构不仅有助于提高电流密度（J_SC），还有效减少了非辐射复合损失，从而显著提升了整体的性能。在测试中，PM6-Qx10与PY-DT组成的二元器件达到了高达19.10%的能量转换效率，其中开路电压（V_OC）达到了0.986 V，短路电流密度（J_SC）为26.03 mA cm?2，填充因子（FF）为74.47%。值得注意的是，这一效率在开路电压超过0.98 V的有机太阳能电池（OSCs）中处于领先水平。

从研究结果可以看出，Qx单元的引入不仅对HOMO能量水平产生了积极影响，还通过增强分子间偶极相互作用，改善了活性层的形貌，使得电荷传输更加高效。这种分子设计策略为全聚合物太阳能电池的性能优化提供了新的思路。同时，该研究也揭示了三元共聚物在提升器件性能方面的潜力，为未来高效率有机光伏材料的设计和合成提供了重要的理论依据。

此外，该研究还强调了分子设计在全聚合物太阳能电池中的关键作用。通过精确控制Qx单元的含量，研究人员能够调节三元共聚物的物理化学性质，从而实现对活性层形貌和电荷传输行为的优化。这一策略不仅有助于降低能量损失，还能够提升开路电压和短路电流密度，进而提高填充因子，最终实现整体效率的显著提升。在实际应用中，这种分子设计方法可以为其他类型的有机光伏材料提供借鉴，帮助科学家们探索更多可能的性能优化路径。

研究团队在材料合成和表征方面也进行了详尽的工作。通过使用Stille耦合聚合方法，他们成功合成了含有不同Qx含量的三元共聚物，并对所得材料进行了系统的性能测试。为了确保实验的可比性，研究人员严格控制了聚合反应的时间，使得所有三元共聚物具有相似的分子量，从而避免了分子量对材料性能的干扰。材料的分子量通过凝胶渗透色谱（GPC）等方法进行测定，确保了实验数据的准确性。

在活性层形貌的优化方面，研究人员利用多种表征手段，如透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）和X射线衍射（XRD）等，对三元共聚物与受体材料PY-DT的混合形貌进行了深入分析。这些技术的应用使得研究人员能够直观地观察到活性层中分子排列的变化，并进一步理解这些变化对电荷传输和复合行为的影响。研究发现，PM6-Qx10在活性层中形成了更加有序的纤维状结构，这种结构不仅有助于电荷的有效收集，还减少了电荷在传输过程中的损失。

为了进一步验证三元共聚物在提升器件性能方面的潜力，研究人员还对不同比例的Qx含量对器件性能的影响进行了系统研究。结果表明，随着Qx含量的增加，三元共聚物的HOMO能量水平逐渐降低，而开路电压（V_OC）则相应提高。然而，当Qx含量超过一定范围时，三元共聚物的相容性可能会受到影响，导致活性层形貌的劣化。因此，研究团队通过调整Qx的含量，最终找到了最佳的配比，使得PM6-Qx10在性能上达到了最佳状态。

在实际应用中，这种分子设计策略不仅适用于全聚合物太阳能电池，还可能为其他类型的有机光伏材料提供参考。例如，通过引入类似Qx的电子吸叞性单元，可以进一步优化其他聚合物供体材料的性能，从而提升整个光伏器件的效率。此外，这种策略还可以用于设计具有更高稳定性和更长寿命的光伏材料，为实现商业化应用奠定基础。

综上所述，本研究通过引入Qx单元，成功开发出一系列具有优异性能的三元共聚物，为全聚合物太阳能电池的性能提升提供了新的解决方案。这些成果不仅有助于推动全聚合物太阳能电池技术的发展，还为未来高性能有机光伏材料的设计和合成提供了重要的理论支持和实验依据。通过深入研究分子结构与性能之间的关系，科学家们可以不断探索更高效的光伏材料，为可再生能源的广泛应用贡献力量。