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聚合物太阳能电池的给体材料根据带隙可以分为三类：窄带隙聚合物（1.6eV），中等带隙聚合物（大于1.6eV，小于1.8eV）以及宽带隙聚合物（1.8eV）。之前已经报道了太阳能电池中叠层策略可以将光电转换效率提高到15%-20%，但是这就需要两种不同的聚合物应用到上层及下层，一种为窄带隙聚合物，另一种为宽带隙聚合物，而且要求这两种聚合物都具有较深的HOMO能级，更要求这两种聚合物的光谱一定要匹配且互补。但是，迄今为止，成功的宽带隙聚合物的例子却屈指可数。目前最为经典的宽带隙聚合物是P3HT，不过由于其HOMO能级比较高，开路电压成为了其软肋，所以制备成器件之后，光电转换效率不够高。
设计成功的宽带隙聚合物，第一需要较深的HOMO能级，第二需要微调其分子内的电荷转移，同时还要使其在体相异质结中与受体材料形成较好的形貌来提供高迁移率及电荷生产，实现高效率。近日，韩国蔚山国立科技研究所（UNIST）JinYoungKim、韩国化学技术研究所（KRICT）WonSukShin和高丽大学HanYoungWoo等人通过精妙的设计，成功设计合成了一系列高效宽带隙聚合物材料。首先，为了降低氟代苯并噻二唑的吸电子性，他们将氟原子换成了烷氧基链。同时，苯连接上不同位置及数目的氟原子，来降低其供电子性，从而降低分子内的电荷传输以增大带隙。作者设计合成的六种不同的聚合物给体材料（图1）。
图1.宽带隙给体聚合物材料的结构。图片来源：EnergyEnviron.Sci.
对聚合物的研究发现（图2），这些聚合物都展现出两个吸收带，其中nm以下的为π-π*跃迁，-nm的归于分子内电荷转移。与PPDT2FBT相比，新合成的几个聚合物都展现出了蓝移，这是由于从DOBT到二噻吩连苯的分子内电荷传输变弱。聚合物均展现出了1.9-2.0eV较宽的带隙（具体的物理参数如表1所示）。多数新合成的聚合物在溶液中展现出了肩峰，表明较强的分子间相互作用。
图2.a)聚合物溶液中的吸收;b)聚合物薄膜中的吸收;c)聚合物太阳能电池的结构;d)聚合物的LUMO及HOMO能级。图片来源：EnergyEnviron.Sci.
表1.聚合物太阳能电池的物理参数表。图片来源：EnergyEnviron.Sci.
将新合成的聚合物制备成单层太阳能电池，光伏参数如表2所示。可以发现，在苯环上更换了两个氟原子，而且氟原子在上下位置时，光伏器件可以获得最高的光电转换效率，可以高到9.8%。而有四个氟原子取代，其光电转换效率只有4.1%。这是由于后者带隙过宽，吸收变差，电流非常小而导致。
表2.有机太阳能电池的器件参数表。图片来源：EnergyEnviron.Sci.
随后，作者选用效果最好的PDTBTBz-2Fanti以及窄带隙材料DT-DPP2T-TT（图3b）制备了叠层器件（图3a）。可以看出，两个材料具有非常好的互补吸收。在制成叠层器件之后，可以获得高达10.3%的光电转换效率。
图3.a)叠层电池的器件结构;b)叠层电池中使用的材料;c)两层电池活性层的薄膜吸收;d)单层及叠层电池的电流-电压曲线。图片来源：EnergyEnviron.Sci.
最后，作者还测试了相关倒装器件的稳定性，发现Ca/Al并封装的器件展示了与倒装电池（未封装）相似甚至更好的稳定性。这些数据展示了宽带隙聚合物在倒装或正装器件中经过封装，都可以获得较好的稳定性。
总之，作者在本文中系统阐释了一系列宽带隙聚合物材料的化学结构—物理性质—器件性能—器件稳定性之间的多重相互关系。出现更多的好材料并不是关键，关键是朝着实用化迈进，而这篇研究工作就做到了这一点。
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