探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇 027

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探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇

027 聚合物 vs. 小分子：两大材料体系的优劣之争

有机光伏（OPV）领域，聚合物和小分子作为两大核心材料体系，其“优劣之争”推动了整个领域的发展。下面我将从多个维度对它们进行详细的比较和分析。

核心定义

聚合物给体材料：通常指具有给体-受体（D-A）共聚结构的共轭高分子，分子量高（通常在几十到上百万道尔顿），呈链状结构。例如，经典的 PM6、PTB7-Th 等。

小分子给体材料：指分子量较低（通常小于3000道尔顿）、具有明确化学结构和分子量的有机化合物。它们通常经过精心设计，具有特定的几何构型。例如，Y6、ITIC 等明星分子虽然是受体，但说明了小分子体系的特性；给体小分子如 DRCN5T 等。


优劣对比一览表

特性维度 聚合物给体 小分子给体 优劣分析
分子结构与批次稳定性 劣势：分子量分布宽，合成批次差异大，结构精确控制难。 优势：有明确的分子结构、分子量和单晶结构，合成批次稳定性极佳，纯化容易。 小分子在材料重现性上具有压倒性优势，这对科学研究和大规模生产至关重要。
溶液加工性 优势：溶液粘度高，成膜性好，易于制备大面积、力学性能优异的薄膜。 劣势：溶液粘度低，易结晶导致成膜性差，需要添加添加剂或共溶剂来优化。 聚合物在加工宽容度和柔性器件制备上更胜一筹，更适合卷对卷印刷工艺。
形貌调控 优势/劣势：本体异质结形貌相对更稳定，但对其微观结构的精确调控更具挑战性。 优势/劣势：分子堆积和结晶性更强，易于形成有利的互穿网络结构，但形貌稳定性可能稍差。 两者各有所长。小分子更强的结晶性一度被认为是其效率更高的原因之一，但聚合物的形貌稳定性对器件寿命有利。
光电性能 传统劣势：光吸收范围和能级调控相对固定，电荷迁移率可能较低。 传统优势：分子设计灵活，能级和吸收易于精细调控，电荷迁移率高。 在早期，小分子在效率突破上屡建奇功（如Y6系列受体），但近年来高性能聚合物（如D18）也已迎头赶上。目前最高效率记录由小分子体系保持，但差距在缩小。
器件稳定性与寿命 优势：通常具有更好的机械柔韧性和薄膜形态稳定性，有利于延长器件操作寿命。 劣势：较强的结晶性可能导致在光照和热应力下形貌发生不利变化，影响长期稳定性。 聚合物在力学稳定性方面表现更好，这对于柔性应用是关键。
成本与规模化 优势/劣势：合成步骤可能更少，但单体纯化要求高，且批次差异可能导致产率问题。 优势/劣势：合成步骤多，纯化容易，总收率可能更高，材料成本可控。 成本对比复杂。小分子的明确结构和易纯化特性在大规模生产中有其独特优势。


深入解析与未来趋势

上表的对比是静态的，而领域的发展是动态的。我们需要从更深层次和未来趋势来理解这场“竞争”。

1. 从“竞争”到“融合”：受体材料的启示

一个非常关键的点是，目前OPV效率的飞跃主要归功于小分子非富勒烯受体（NFAs），特别是Y系列分子的出现。这意味着，目前最高效的体系往往是“聚合物给体 + 小分子受体”的混合体系。

这模糊了传统的界限：

聚合物给体 提供了良好的加工性和机械骨架。

小分子受体 提供了卓越的光吸收和电子传输能力。

因此，现在的“优劣之争”不再是二选一，而是如何最佳地组合和匹配它们。

2. 性能差距正在缩小

效率：随着新型宽带隙聚合物给体（如D18, PM6）的开发，聚合物基器件的效率已超过19%，与小分子基器件的最高效率（超过20%）差距不大。

稳定性：通过分子工程（如在聚合物中引入柔性侧链、在小分子中引入非共价键来抑制过度聚集），双方的稳定性都在不断提升。

3. 应用场景决定选择

追求极致效率的刚性场景：目前，基于小分子给体/受体的全小分子体系或在混合体系中优化小分子组分，仍然是冲击最高效率纪录的有力途径。

柔性、可穿戴电子设备：聚合物体系由于其优异的成膜性和机械柔韧性，在这一领域具有天然优势。一个能承受反复弯折的器件，聚合物通常是更好的选择。

大面积印刷与产业化：聚合物的高粘度特性使其更适用于卷对卷（R2R）涂布、刮涂等大面积制备工艺，加工窗口更宽。

总而言之，

聚合物给体：胜在加工性、力学性能和形貌稳定性，是走向柔性、大面积应用的基石。其核心短板在于分子结构的精确性和批次差异性。

小分子给体：胜在分子结构的精确性、高纯度和高迁移率，在冲击最高光电转换效率和基础科学研究方面优势明显。其核心短板在于溶液加工性和形貌稳定性的控制。

未来展望：

“优劣之争”正在演变为“协同共赢”。未来的发展方向包括：

继续开发高性能材料：设计合成兼具聚合物和小分子优点的新材料，如寡聚物、嵌段共聚物等。

深化形貌调控机理研究：无论对于哪种材料，实现并稳定“理想”的本体异质结形貌都是核心课题。

面向应用的工程化优化：针对特定应用场景（如半透明光伏、农业光伏、室内光伏），选择合适的材料体系并进行配方和工艺优化。

简而言之，聚合物和小分子两大体系如同OPV发展的两条腿，它们在过去相互竞争、彼此借鉴，共同将OPV推向了一个新的高度。在未来，它们更可能根据不同的应用需求，在各目的赛道上继续发光发热，并最终共同推动有机光伏技术的商业化进程。