全聚合物太陽能電池(All-PSCs)的光活性層由p-型聚合物作為電子給體和n-型聚合物作為電子受體組成,具有良好的形貌穩定性和機械柔性,在實現大面積、柔性有機太陽能電池的製備中具有較大潛力,因而受到科研工作者們的廣泛關注。特別是近年來,得益於小分子受體高分子化策略(PSMAs)的提出,一系列以稠環小分子受體為共聚單元的聚合物受體材料被開發出來,使得All-PSCs的光電轉換效率(PCE)顯著提升,已經超過18%。然而,作為關鍵共聚單元的稠環小分子受體大多存在著合成路線繁瑣、純化工藝複雜等問題,大大增加了PSMAs的生產成本。此外,由於聚合物的分子量(Mn)和多分散性指數(PDI)難以精準調控,聚合物受體存在明顯的批次差異性,這嚴重影響了All-PSCs的器件性能,不利於商業化的大批量製備。因此,設計和開發結構簡單的新型關鍵缺電子單元,以製備具有良好的批次重複性和低成本的聚合物受體材料具有重要意義。

近期,蘇州大學/山東大學張茂傑教授研究團隊設計並合成了一種簡單的非稠環缺電子單元TIC-Br。該缺電子單元是將廣泛使用的單溴取代的氰基茚酮(IC-Br)端基與簡單的烷基取代的噻吩單元進行連接,僅通過三步簡單的反應(溴化反應,醛基化反應和Knoevenagel縮合反應)即可合成得到(圖1)。研究結果表明TIC-Br分子內具有S•••O非共價相互作用,增強了分子主鏈的平面性和剛性。同時,不對稱的TIC-Br分子顯示出較大偶極矩(4.91 Debye),這有利於促進分子間緊密的π-π堆積。為了探究該構建單元在聚合物受體中的應用潛力,作者將TIC-Br單元與錫化的氟化噻吩基苯並二噻吩(BDT-TF-Sn)單元進行共聚合成了聚合物受體PTIB。該聚合物受體薄膜在可見光區(300-800 nm)具有較強的吸收,並且其最大消光係數可達0.64 × 105 cm−1(圖2)。而且,其具有較高的LUMO能級(-3.86 eV)和較深的HOMO能級(-5.70 eV),這有利於與給體材料相匹配以及獲得較高的開路電壓(Voc)。另外,PTIB表現出優異的電子遷移率(1.02 × 10−4 cm2 V−1 s−1),適合作為電子受體材料。