创纪录！可拉伸有机器件>16% ！深度解读华科大邵明团队最新Science：通过小分子受体增塑的机械强度高、可拉伸的有机太阳电池

文摘 2025-01-24 05:20 瑞士

编辑摘要

通过将延展性供体半导体聚合物与增塑性小分子受体混合，克服了光活性成分固有的脆性，可制成可拉伸有机太阳能电池，为可穿戴设备供电。Wang等人已经证明，受体实际上增强了混合物的延展性，尽管缺乏结晶性，但仍保持了电子迁移率。设备实现了超过16%的功率转换效率，并且可以在80%的应变下保持80%的效率。

—Phil Szuromi

内容解读

有机硅烷官能化的SMA BTP-Si4 与聚合物供体PNTB6-Cl 的共混物实现了>16% 的功率转换效率(PCE) 和 >95% 的极限应变 (εu)。典型的 SMA 会抑制 OSC 共混物的延展性，但添加 BTP-Si4 会增强它。尽管BTP-Si4 的结晶性不如其他SMA，但它保留了相当大的电子迁移率，并且与PNTB6-Cl 高度混溶，对于提高εu 至关重要。因此，展示了 PCE > 14% 且在各种变形下正常运行的 s-OSC（80% 应变下的 PCE 保留率 >80%）。对几种 SMA-聚合物共混物的分析揭示了设计延性共混物的一般分子结构-混溶性-拉伸性关系。

可穿戴光电设备（电子可穿戴设备）由可拉伸晶体管、显示器和传感器组成，在机械变形下仍能保持运行，这引起了人们的极大兴趣。它们的供电元件占据了这些设备的很大物理空间，限制了整体的一致性和稳健性。有机太阳能电池（OSC）由供体和受体半导体混合物组成，由于其机械柔韧性和可拉伸性、重量轻和溶液可加工性，是电子可穿戴设备的有前途的电源。最先进的玻璃刚性OSC已实现超过 20% 的功率转换效率 (PCE)。然而，粘附在任意表面上的可拉伸OSC（s-OSC）需要适应比弯曲大得多的变形（应变ε > 30%），这很少有报道。

开发延展性有机光活性混合物仍然具有挑战性，原因有几个。聚合物供体具有π共轭骨架和强的分子间π-π相互作用，可促进光吸收或空穴传输和结晶性，但抑制延展性。本体异质结（BHJ）光活性层由供体和受体组成，供体和受体的相互作用也决定了薄膜性质。然而，所有现有的小分子受体（SMA），包括富勒烯、非富勒烯受体和聚合SMA（P-SMA），都是脆性的（极限应变εu < 5％）。

各种绝缘[即聚二甲基硅氧烷（PDMS）和苯乙烯乙烯丁烯苯乙烯（SEBS）]和延展性半导体聚合物已被加入作为三元组分以增加共混εu值。虽然光活性材料设计历来强调提高PCE，但最近重点已扩展到增强机械性能。不幸的是，到目前为止，高性能共混物的最大可拉伸性仍然 <33%。除了缺乏内在可拉伸的光活性共混物外，当前 s-OSC 的效率远远落后于刚性和可弯曲设备的效率，尽管取得了开创性的进展，但同时实现高效(PCE > 10%)和机械可拉伸(εu > 30%) s-OSC 仍然是一个尚未解决的挑战。

在这项工作中，华中科技大学邵明团队联合美国佐治亚理工学院Antonio Facchetti教授和Seung Soon Jang教授共同报告了一种小分子受体(SMA)，也称为非富勒烯受体(NFA)，专为具有高机械柔顺性和性能的可拉伸有机太阳能电池(s-OSC) 共混物而设计，相关成果发表于国际顶级期刊Science杂志。Zhenye Wang，Di Zhang和Lvpeng Yang三人为共同第一作者。第一通讯单位为华中科技大学。

图1. 光活性材料的分子结构和光伏响应。

（A）供体聚合物 PNTB6-Cl 和受体 Y6 和 BTP-Si4 的分子结构。（B）一个晶胞中的单晶和π-π堆积以及BTP-Si4 沿 a 轴的 3D 网络堆积。（C）OSC 的 J-V 曲线和（D）EQE 响应图。（E）所示 OSC 的光伏外部量子效率(EQEpv) 图。（F）所示 OSC 在不同电压下的 EL 量子效率(EQEEL)。请注意，PNTB6-Cl:Y6和 PNTB6-Cl:BTP-Si4 的供体：受体重量比分别为 1:1.25 和1:1.40，除非另有说明，所有数据均使用PNTB6-Cl batch-1 获得。

图2. 共混膜的机械和形态特性。

（A）所示独立共混膜的应力-应变 (ε) 曲线。插图显示了拉伸试验后的共混膜图像。（B）不同应变下涂在 PDMS 弹性体上的选定共混膜的光学图像。比例尺，50 μm。（C）文献和本研究中报道的基于不同受体类别[聚合物和 SMA（小分子受体）、P-SMA（聚合SMA）] 的高性能共混膜的 PCE 与极限应变 (εu) 的关系。（D）PNTB6-Cl:Y6 和PNTB6-Cl:BTP-Si4 共混物在原位变形过程中收集的SEM 图像。请注意，PNTB6-Cl:Y6和 PNTB6-Cl:BTP-Si4 的供体：受体重量比分别为 1:1.25 和1:1.40。

图3. 可拉伸OSC特性。

(A) 我们的 s-OSC 的器件结构。(B) 所示文献和本研究中报告的 s-OSC 的PCE 与应变 (ε) 图。(C)我们的 s-OSC 在应变下的顶面和横截面 SEM 图像。(D) PCE 与弯曲 (2 毫米弯曲半径) 和拉伸 (PNTB6-Cl:Y6 的应变为15%，PNTB6-Cl:BTP-Si4的应变为 30%) 测试循环的关系。请注意，PNTB6-Cl:Y6 和PNTB6-Cl:BTP-Si4 的供体：受体重量比分别为1:1.25 和 1:1.40。 (E 和 F) PNTB6-Cl：BTP-Si4 s-OSC 的照片，粘附在指关节上以监测不同弯曲角度下的光电流（E），附在手腕上，并与脉搏传感器集成（F）以监测人体心率，展示灵活性、可弯曲性和可拉伸性。

图4. 混合膜的极限应变增强机制。

（A）所示纯膜和混合膜的内聚能。（B）在β松弛温度 (Tβ) 下，对于原始 PNTB6-Cl、PNTB6-Cl:Y6（重量比= 1:1）和PNTB6-Cl:BTP-Si4（重量比 = 1:1），施加频率 (lnf) 与 PNTB6-Cl 的1000/T 的关系。虚线表示与阿伦尼乌斯定律的拟合。（C）受体主峰 (0-0) 位置（上）以及εu 和 PCE 值（下）与 Y6 和 BTP-Si4 与PNTB6-Cl 的比例的关系。请注意，此数据是使用PNTB6-Cl 批次 2 获得的。有关详细信息，请参阅表 S15。（D）混合膜形态的示意图。在PNTB6-Cl:BTP-Si4 共混物中，长程有序性（大受体域）受到抑制，同时保留了足够的短程有序性以确保高效的电子传输，从而实现了出色的光伏性能和相当大的拉伸性。相反，共混物中的Y6 织构和域尺寸过大，这会破坏共混物的形态并使共混物膜变硬。

图5. 分子结构、可混合性、表观活化能和极限应变之间的关系。

（A）本研究中使用的 SMA 的分子结构。（B）Tβ转变的表观活化能 (Ea) 与 PNTB6-Cl 与所示SMA 的可混合性 (χ) 的关系图。（C）所示混合物的极限应变 (εu) 与 Ea 的关系图。（D 和 E）所示混合物的PCE、εu 和χ之间的关系。请注意，线条是眼睛的引导，对于所有混合物，供体：受体重量比均为1:1。

文章结论

该团队应用有机硅烷官能化的SMA BTP-Si4 与聚合物供体PNTB6-Cl 的共混物实现了>16% 的功率转换效率(PCE) 和 >95% 的极限应变 (εu)。典型的SMA会抑制OSC共混物的延展性，但添加BTP-Si4会增强它的延展性。尽管BTP-Si4的结晶性不如其他SMA，但它保留了相当大的电子迁移率，并且与 PNTB6-Cl 高度混溶，对于提高εu 至关重要。因此，该团队制备了PCE > 14% 且在各种变形下正常运行的s-OSC（80% 应变下的 PCE 保留率 >80%）。该团队对几种SMA-聚合物共混物的分析揭示了设计延性共混物的一般分子结构-混溶性-拉伸性关系。

论文信息：Zhenye Wang et al., Mechanically robust and stretchable organic solar cells plasticized by small-molecule acceptors. Science387, 381-387 (2025). https://doi.org/10.1126/science.adp9709

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