含有二氯喹诺嗪结构单元的三元共聚物给体，使得全聚合物太阳能电池的效率达到19.10%，同时开路电压高达0.986伏特

《MATERIALS SCIENCE & ENGINEERING R-REPORTS》：Terpolymer donors incorporating Dichloroquinoxaline segments enable 19.10% efficiency all-polymer solar cells with extremely high open-circuit voltage of 0.986 V

全聚合物太阳能电池通过引入terpolymer分子设计策略，以6,7-二氟-2-((2-十六烷基脱氧基)-3-甲基喹诺酮（Qx）单元优化PM6主链，显著降低HOMO能级，增强quinoid共振效应和分子偶极相互作用，形成纤维状网络结构，实现19.10%的高PCE、0.986V的VOC及0.486eV的低能量损失。

　　全聚合物太阳能电池（all-PSCs）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，成为可再生能源技术领域中备受关注的研究方向。此外，它们还具备生产半透明器件的能力，这使其在柔性电子和建筑一体化光伏（BIPV）等应用中展现出广阔前景。然而，尽管全聚合物太阳能电池的光电转换效率（PCE）已经超过了20%，其性能仍显著低于钙钛矿太阳能电池。这一差距主要源于全聚合物太阳能电池中较高的能量损失（E_loss），这成为制约其效率提升的关键瓶颈。

为了改善这一现状，研究人员提出了一种创新的策略，即通过引入具有强电子亲和力的6,7-二氟-2-((2-癸基癸基)氧)-3-甲基喹喔啉（Qx）基团，设计并合成了一系列基于PM6主链的三元共聚物（PM6-Qx5、PM6-Qx10、PM6-Qx15）。Qx的引入被预期能够降低高占据分子轨道（HOMO）的能量水平，增强喹喔啉共振效应，并提升分子间的偶极相互作用。这些特性对于改善电池的开路电压（V_OC）、短路电流密度（J_SC）以及填充因子（FF）具有重要意义。

实验结果表明，这些三元共聚物成功实现了HOMO能量水平的降低，并展现出强大的静电势和良好的与聚合物受体PY-DT的相容性。其中，PM6-Qx10在分子内和分子间的相互作用之间达到了最佳平衡，形成了有利于电荷生成和传输的纤维状网络结构，同时有效降低了非辐射复合损失。这一特性使得基于PM6-Qx10和PY-DT的二元器件实现了高达19.10%的PCE，其中V_OC达到了0.986 V，J_SC为26.03 mA/cm2，FF为74.47%。同时，E_loss被控制在0.486 eV的较低水平。这一成果不仅在具有V_OC超过0.98 V的有机太阳能电池（OSCs）中取得了最高效率，还为全聚合物太阳能电池的性能优化提供了重要的理论指导。

在全聚合物太阳能电池中，能量损失是一个关键因素，它主要由非辐射复合损失（ΔE_nr）和相分离过程中的熵效应引起。非辐射复合损失会显著降低V_OC，而过度的相分离则会导致电荷传输路径变长，从而影响J_SC和FF。因此，减少能量损失并优化活性层的形貌，成为提升全聚合物太阳能电池性能的核心挑战。研究人员发现，通过引入Qx基团，不仅能够有效降低HOMO能量水平，从而提高V_OC，还能增强分子间的偶极相互作用，促进受体和供体材料之间的良好相容性，减少非辐射复合的发生。这些优势共同作用，使得三元共聚物在保持良好电荷传输能力的同时，显著降低了能量损失。

此外，研究人员还指出，三元共聚物的引入可以显著改善全聚合物太阳能电池的活性层形貌。传统的二元体系中，长共轭链的强纠缠会导致材料的相分离程度过高，进而影响电荷传输效率。而通过引入Qx基团，三元共聚物能够形成更加有序的纤维状网络结构，这有助于电荷的高效生成和传输。这种结构的优化不仅提升了电池的整体性能，还为未来的材料设计提供了新的思路。

在材料合成方面，研究人员采用Stille耦合聚合方法，将有机锡单体（fBDT-Sn）与两个溴化单体（BDD-Br和Qx-Br）进行反应，成功合成了目标三元共聚物。为了确保合成的可比性，研究人员对聚合反应时间进行了严格控制，使得最终获得的三元共聚物具有相似的分子量，从而减少分子量对材料性能的影响。分子量的测定采用了凝胶渗透色谱（GPC）等常规方法，确保了合成过程的可控性和一致性。

在性能测试中，研究人员对三元共聚物与PY-DT的混合体系进行了系统研究。通过紫外-可见吸收光谱、荧光光谱、X射线衍射等手段，对材料的光学性质和晶体结构进行了分析。同时，利用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对活性层的微观形貌进行了表征。结果表明，PM6-Qx10在与PY-DT的混合体系中表现出最佳的相容性和形貌稳定性，这有助于形成连续的电子传输通道，提高电荷迁移效率。

在器件制备过程中，研究人员采用了旋涂法和热压法相结合的方式，以确保活性层的均匀性和稳定性。通过调节热压温度和时间，进一步优化了活性层的微观结构。实验结果显示，基于PM6-Qx10和PY-DT的二元器件在性能上显著优于传统的二元体系，这表明三元共聚物的引入对于提升全聚合物太阳能电池的性能具有显著效果。

在研究过程中，研究人员还对三元共聚物的分子设计进行了深入探讨。他们认为，Qx基团的引入不仅可以降低HOMO能量水平，还能增强分子间的偶极相互作用，从而提升电荷传输效率。此外，Qx基团的强电子亲和力有助于形成更稳定的电荷分离界面，减少非辐射复合的发生。这些分子设计的优化策略，为未来全聚合物太阳能电池的材料开发提供了新的方向。

本研究的成果不仅在实验层面得到了验证，还具有重要的应用前景。通过引入Qx基团，研究人员成功开发出一系列高性能的三元共聚物，为全聚合物太阳能电池的性能提升提供了可行的解决方案。这些材料的合成和性能优化，有助于推动全聚合物太阳能电池在实际应用中的发展，特别是在柔性电子、建筑一体化光伏和可穿戴设备等领域。

在理论层面，本研究为全聚合物太阳能电池的分子工程提供了重要的指导。通过系统研究Qx基团的引入对材料性能的影响，研究人员揭示了结构与性能之间的内在关系。这些发现不仅有助于理解全聚合物太阳能电池的工作机制，还为未来的材料设计和性能优化提供了理论依据。

此外，研究人员还强调了全聚合物太阳能电池在可持续发展中的重要性。与传统硅基太阳能电池相比，全聚合物太阳能电池具有更低的制造成本和更简单的生产流程，这使其在大规模生产和应用推广方面更具优势。同时，其优异的机械柔韧性和可拉伸性，使得其在柔性电子和可穿戴设备等新兴领域中具有广阔的应用前景。

综上所述，本研究通过引入Qx基团，成功开发出一系列高性能的三元共聚物，为全聚合物太阳能电池的性能提升提供了新的思路和解决方案。这些材料的合成和性能优化不仅在实验层面得到了验证，还具有重要的应用和理论价值。未来，随着材料科学和器件工程的不断发展，全聚合物太阳能电池有望在更多领域中得到应用，并成为可再生能源技术的重要组成部分。