探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇 030

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探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇

030 王牌对王牌：明星给体材料PBDB-T家族深度解析 2025-10-13

有机太阳能电池（OSCs）因其轻质、柔性及可溶液加工等优势成为研究热点，其中PBDB-T（聚[2,6-(4,8-双(5-(2-乙基己基)噻吩-2-基)苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩)-交替-(1,3-二(5-噻吩-2-基)-5,7-双(2-乙基己基)苯并[1,2-c:4,5-c']二噻吩-4,8-二酮)）及其衍生物作为明星聚合物给体材料，推动了OSCs性能的持续突破。

为了让你快速了解PBDB-T家族，下面这个表格汇总了其主要成员的特点：

材料名称 结构特征 性能特点与优势 典型受体搭配 最高效率范围 (PCE, %) 主要应用场景与优势
PBDB-T 基础型D-A共聚物，宽带隙 (~1.8 eV) 吸收范围宽，能级匹配性好，空穴迁移率较高 PC71BM, ITIC 8-10 早期验证了A-D-A型非富勒烯受体的可行性，为后续材料设计奠定基础
PBDB-T-2Cl PBDB-T的氯（Cl）原子取代衍生物，引入Cl原子增强分子内电荷转移 吸收红移，结晶性更优，能级调控更灵活，器件电压损失降低 ITIC-F, PCBM >18 (三元器件) 高性能三元体系，通过引入第三组分（如PCBM）精细调控形貌和介电常数，实现更高效率
PBDB-TF (PM6) PBDB-T的氟（F）原子取代衍生物，F原子引入进一步增强分子内相互作用 电荷传输能力提升，膜形貌更优，与非富勒烯受体（如Y6）兼容性极佳 Y6, L8BO, PCBM ~19 (二元器件) 当前高性能二元和三元OSCs的主流给体选择，与非富勒烯受体Y6及其衍生物搭配效率屡创新高


下面，我们来深入解析PBDB-T家族的成功之道、成员特性以及未来的优化方向。

PBDB-T分子的设计精髓

PBDB-T及其衍生物的高性能源于其精巧的D-A（给体-受体）共聚物骨架设计：

给体单元（D）：采用苯并二噻吩（BDT） 衍生物，其平面刚性结构利于分子间有序堆积，提升空穴迁移率。

受体单元（A）：采用苯并二噻吩二酮（BDD），其强拉电子效应增强分子内电荷转移，使吸收光谱红移并拓宽，覆盖更宽太阳光谱。

侧链工程：BDT单元上的烷基或烷氧基侧链，确保了聚合物的良好溶解性和成膜性，便于溶液加工。


PBDB-T家族的改性策略

通过在BDT单元的侧链或核上进行原子取代，科学家们开发出性能更优异的PBDB-T衍生物，其主要策略和效果如下：

卤化策略（氟化/氯化）

氟原子取代（PBDB-TF/PM6）：F原子电负性极高，能有效降低给体材料的最高占据分子轨道能级，从而提升器件的开路电压。同时，F原子的引入能增强分子间相互作用，优化活性层形貌，提高电荷传输效率。PM6是目前最成功、应用最广泛的PBDB-T衍生物之一，它与非富勒烯受体（如Y6）的搭配多次刷新了OSCs的效率纪录。

氯原子取代（PBDB-T-2Cl）：Cl原子体积比F原子大，在优化能级、增强分子间作用的同时，对聚合物的结晶性和聚集行为有不同的调控作用。研究表明，基于PBDB-T-2Cl的活性层薄膜往往表现出更佳的相分离形貌，有利于激子分离和电荷传输。

三元策略
在PBDB-T给体和一种主受体基础上，引入第三组分（可以是另一种富勒烯或非富勒烯受体，有时也可以是另一种给体），构建三元共混活性层。例如，在PBDB-T-2Cl:ITIC-F体系中掺入PCBM，可以：

拓宽光吸收范围，利用更宽谱段的太阳光。

形成更精细的互穿网络形貌（"合金相"），优化电荷传输路径。

调控活性层的介电常数和折射率，减少光反射损失，提升光捕获能力。


PBDB-T器件的优化与前景

要充分发挥PBDB-T家族的潜力，器件结构、工艺和稳定性方面的优化至关重要：

器件结构创新

正置结构：传统ITO/PEDOT:PSS/Active Layer/Ca或Al的结构。

倒置结构：如ITO/ZnO/Active Layer/MoO₃/Ag。研究表明，倒置结构的PBDB-T:PZT:C1基全聚合物太阳能电池，理论模拟效率可达19.92%，经过进一步优化（如优化传输层掺杂、活性层厚度）后，效率潜力更可提升至22.67%。倒置结构通常具有更好的空气稳定性和更长的器件寿命。

制备工艺升级
要实现商业化，必须从实验室的旋涂法转向更适合大规模生产的刮涂法、slot-die涂布等工艺。研究证实，通过优化刮涂温度等参数，基于PBDB-T:ITIC的大面积组件（活性面积58.5 cm²）也能实现9.03% 的效率，这展现了PBDB-T家族在规模化生产中的应用前景。

形态调控与稳定性研究
利用光诱导力显微镜-纳米红外光谱（PIFM）、掠入射广角X射线散射（GIWAXS） 等先进技术，可以在纳米尺度研究活性层的形貌、分子取向和相分离情况。精确调控给体与受体的混合形貌，是获得高效率和良好稳定性的关键。



PBDB-T家族通过其精巧的D-A结构和持续的侧链、元素取代（氟化/氯化）等工程改良，成功引领了有机太阳能电池，特别是非富勒烯体系的发展。它们在与Y6、ITIC等优秀受体搭配，以及在三元体系、大面积制备和新型器件结构探索中，不断突破效率极限，展现出巨大的应用潜力。