在国家自然科学基金项目（批准号：51820105003、21734008、61904181）等的资助下，中国科学院化学研究所李永舫院士团队在小分子受体高分子化的聚合物受体研究中取得进展。研究成果以“通过分子设计调节聚合物共混形貌，基于聚合小分子受体的全聚合物太阳能电池的效率达到16.16%（Polymerized small molecular acceptor based all polymer solar cells with an efficiency of 16.16% via tuning polymer blend morphology by molecular design）”为题在《自然∙通讯》（Nature Communication）发表。论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-25638-9。
基于聚合物给体和聚合物受体共混活性层的全聚合物太阳电池，具有稳定性和机械柔韧性好的突出优点，最有望在柔性聚合物太阳电池中获得实际应用。但是在早期的研究中，全聚合物太阳电池（all-PSC）的光电能量转换效率（PCE）显著低于基于富勒烯或者是非富勒烯小分子受体的聚合物太阳电池的效率，这是由于合成的聚合物受体在长波长的吸收较弱、聚合物给体和聚合物受体共混膜的形貌控制困难所致。
李永舫研究团队近年来在高效聚合物受体材料的研究中不断取得新的突破。他们提出了将窄带隙小分子受体高分子化（polymerized small molecule acceptor（PSMA））的学术思想，参与开发了A-DA’D-A型窄带隙小分子受体Y6并研究了基于Y6及其衍生物的PSMA。最近，他们使用A’单元分别为苯并噻二唑和苯并三氮唑的A-DA’D-A型小分子受体作为主要构筑单元、以硒酚为共聚连接单元合成了两种新型的PSMA聚合物受体PS-Se和PN-Se（分子结构见图1a），系统研究了A’单元结构对活性层形貌及all-PSC的PCE的影响。与PS-Se相比，PN-Se吸收红移，同时能级略微上移，这有利于基于PN-Se的all-PSC开路电压的增加。值得指出的是，他们首次通过冷冻电镜技术（Cryo-TEM）研究了聚合物给体/受体在溶液中的预聚集行为，发现PS-Se与PN-Se在溶液中呈现出不同的聚集尺度（图1b, c）。同时，他们又通过光诱导力显微镜（PiFM）观测到了在PBDB-T聚合物给体和PN-Se聚合物受体共混膜中存在聚集尺度为10-20 nm的双连续给体-受体互穿网络结构（图1d, e），这是聚合物太阳电池领域研究者追求的比较理想的活性层形貌，有利于获得高的激子电荷分离效率和高的电荷传输效率。最终，基于PBDB-T:PN-Se的all-PSC能量转换效率提升到了16.16%，这是当前二元all-PSC的最高效率。
图1 (a) 聚合物受体PS-Se和PN-Se的分子结构; (b) PBDB-T:PN-Se氯仿溶液的冷冻电镜图像; (c) PBDB-T:PS-Se氯仿溶液的冷冻电镜图像。AFM和PiFM图像：(d) PBDB-T:PN-Se样品的图像; (e) PBDB-T:PS-Se样品的图像; (i) AFM高度图；(ii) 给体PBDB-T的PiFM图像；(iii) 聚合物受体的PiFM图像；(iv) 混合膜中给体/受体的分布图像