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华中科技大学邵明教授联合佐治亚理工学院Antonio Facchetti院士和Seung Soon Jang教授共同开发了一种专为可拉伸有机太阳能电池设计的小分子受体（SMA），也称为非富勒烯受体（NFA），兼具出色的机械柔韧性和电池性能。相关成果以「Mechanically robust and stretchable organic solar cells plasticized by small-molecule acceptors」为题发表在Science上，第一作者为Zhenye Wang，Di Zhang和Lvpeng Yang为共同一作。

可穿戴光电设备（如可拉伸晶体管、显示器和传感器）因能在机械变形下正常运行而备受关注，但其供电组件通常占用较大空间，限制了一体性和可靠性。有机太阳能电池（OSC）因其轻便、柔韧、可拉伸和溶液加工特性，成为这些设备的潜力电源。目前刚性 OSC 的功率转换效率（PCE）已超过 20%，但可适应高应变（>30%）的可拉伸 OSC（s-OSC）研究仍然有限。开发延展性光敏混合物面临挑战：如聚合物供体的高结晶度有助于光吸收但抑制延展性，而现有的小分子受体（SMA）普遍脆弱（极限应变<5%）。尽管通过添加延展性材料提升了拉伸性能，但现有高性能混合物的最大拉伸性仍不足 33%，且效率远低于刚性或可弯曲OSC。当前，实现同时具备高效率（PCE > 10%）和高机械拉伸性（εu > 30%）的s-OSC仍是一个未解决的难题。

在此，华中科技大学邵明教授联合佐治亚理工学院Antonio Facchetti院士和Seung Soon Jang教授共同开发了一种专为可拉伸有机太阳能电池设计的小分子受体（SMA），也称为非富勒烯受体（NFA），兼具出色的机械柔韧性和电池性能。通过将有机硅烷功能化的SMA（BTP-Si4）与聚合物供体（PNTB6-Cl）相结合，成功实现了超过16%的功率转换效率（PCE）和超过95%的极限应变（εu）。与传统SMA会抑制混合物延展性不同，BTP-Si4 的加入不仅避免了这一问题，还显著增强了延展性。尽管BTP-Si4的结晶度低于其他SMA，但它保留了较高的电子迁移率，并且与PNTB6-Cl具有很好的混溶性，这对提升混合物的拉伸性能至关重要。实验还表明，这种s-OSC在功率转换效率超过14%的同时，可以在多种变形条件下正常运行，比如在80%应变时，PCE 保留率仍超过80%。此外，通过分析多种SMA-聚合物混合物的特性，研究总结了分子结构、混溶性和拉伸性之间的关联，为设计高性能可拉伸太阳能电池提供了新思路。

刚性太阳能电池的材料和光伏性能

作者对BTP-Si4和Y6与延展性供体聚合物PNTB6-Cl的性能进行了对比研究（图1A）。BTP-Si4的设计在核心结构与Y6相同的基础上，通过有机硅烷侧链的功能化，优化了其分子堆叠和混溶性，使其在抑制过度聚集的同时增强了延展性和电荷传输能力。尽管BTP-Si4的电子迁移率略低于Y6，但其更好的混溶性和三维电荷传输特性为PNTB6-Cl:BTP-Si4器件带来了略高的功率转换效率（PCE，16.2%对比Y6的15.7%）（图1C）。此外，通过将Y6引入BTP-Si4共混物中制备的三元器件，PCE提升至17.0%（图1D）。实验还显示，BTP-Si4的低结晶度和优化的电荷转移能级（ΔE2较小）有效降低了非辐射复合损失（ΔE3 = 0.20 eV），并通过增强的电致发光量子产率（图1F）验证了其优异性能。整体结果表明，BTP-Si4作为新型SMA，不仅在光电性能上超越了Y6，还通过改善机械柔韧性和混溶性，为高效可拉伸OSC的发展提供了新方向。

图1 | 光敏材料的分子结构和光伏响应。

光敏材料和共混物的机械性能

通过“水上薄膜拉伸测试”（FOW）评估了原材料和共混物的机械性能。原始PNTB6-Cl薄膜表现出优异的延展性，εu达到66.3%，具备作为s-OSC延展性供体的潜力。相比之下，基于BTP-Si4的共混薄膜表现出显著改进，其εu高达93.9%（图2A），而三元共混物PNTB6-Cl:BTP-Si4:Y6在实现超过17% PCE的同时，仍保留了74.0%的高延展性。光学显微镜成像表明，BTP-Si4共混薄膜在100%应变下仅出现少量小裂纹，展现了优异的应变耐受性（图2B），而Y6共混薄膜在25%应变后裂纹显著，二色性比（DR）趋于稳定，BTP-Si4共混薄膜的DR则持续增加，进一步验证其拉伸性能。将材料的εu与已报道数据对比发现，PNTB6-Cl:BTP-Si4二元薄膜同时实现了高效（PCE > 16%）和高延展性（εu > 95%），突破了传统材料在效率与拉伸性间的权衡（图2C）。此外，尽管BTP-Si4共混薄膜的弹性模量和拉伸强度低于Y6共混薄膜，其韧性高达18.8 MJ/m³，是Y6共混薄膜（2.2 MJ/m³）的九倍，展现出优异的机械稳健性。

图2 | 共混薄膜的机械和形态特性。

可拉伸OSC

利用PNTB6-Cl:BTP-Si4的优异延展性，成功制备了可拉伸有机太阳能电池（图3A），其平均功率转换效率（PCE）达到14.1%，在已报道的s-OSC中表现出显著性能提升（图3B）。这些器件在20%应变下几乎无性能退化，在80%应变下仍保留了82%的初始PCE（图3C），展现出卓越的机械延展性和结构稳固性。经过半径2毫米的1000次弯曲循环后，PCE保持超过90%；在30%应变下的1000次循环后仅轻微下降约25%，进一步证明了其出色的耐久性和机械稳健性（图3D）。此外，该s-OSC与人类手指关节和手腕集成时，在高达45%应变下保持稳定的光电流输出（图3E）。由六个串联s-OSC组成的可拉伸太阳能模块，在弯曲手腕（30%应变）时仍能稳定输出5V电压，满足大多数可穿戴设备的需求（图3F）。进一步的实验将s-OSC与脉搏血氧计集成，成功实现了自供电健康监测系统，展示了其在疾病早期诊断和治疗中的应用潜力。

图3 | 可拉伸OSC特性。

分子结构和共混物形态与机械性能

研究表明，PNTB6-Cl:BTP-Si4共混薄膜的高延展性得益于PNTB6-Cl主链的波状构象、BTP-Si4的N官能化以及两者之间优异的混溶性。BTP-Si4的引入显著提高了混合膜的机械柔韧性，将延展性（εu）从PNTB6-Cl:Y6的10.2%提升至95.5%，并优化了薄膜的混合形态和自由体积（图4B）。混溶性分析显示，BTP-Si4的过渡浓度（CAP~1.45）高于Y6（CAP~1.05），提供了更好的混溶性和性能（图4C）。在CAP附近，PNTB6-Cl:BTP-Si4的εu和PCE同时达到最佳，而Y6共混物则因脆性导致性能下降。此外，器件在室温和55 °C下表现出优异的稳定性，证明了其优化的结构和热弛豫特性。综上，BTP-Si4的加入通过改善混溶性和机械性能，为s-OSC的高效性和延展性提供了有效的设计策略（图4D）。

图4 | 共混膜的极限应变增强机制。

SMA分子设计具有高PCE和延展性

作者对比了BTP-Si4和Y6系列小分子受体（SMA）在分子结构、混溶性和延展性之间的关系，揭示了BTP-Si4系列的独特优势。通过调整分支点位置和链长度，发现增加烷基链长度能够降低混溶性参数（χ）和表观活化能（Ea），从而增强供体与SMA的混溶性，减少链聚集，并增加自由体积（图5A和5B）。在Y6系列中，尽管优化χ可提升延展性（εu），但过多链延伸会降低PCE，且所得薄膜较脆（图5D）。相比之下，BTP-Si4系列展现出显著的延展性和高PCE，表现出更高的εu和更低的Ea，同时保持稳定的光伏性能（图5C和5E）。最佳的BTP-Si4和BTP-Si6实现了高PCE和εu，得益于分支设计抑制了核心过度聚集并促进了供体混溶。进一步研究表明，这些结果不局限于PNTB6-Cl，BTP-Si4系列在PM6:SMA 混合物中也表现出相似的趋势，支持其在不同供体体系中的适用性，并确立了χ和εu的线性关系（图5E），表明降低χ是提高延展性和PCE的关键设计策略。

图5 | 分子结构、混溶性、表观活化能和极限应变之间的关系。

小结

作者证明了可拉伸供体PNTB6-Cl和受体BTP-Si4在高度可变形有机太阳能电池（OSC）中的应用潜力。BTP-Si4的设计特点是其分子结构中引入了硅支化点，这不仅抑制了共混物中过度结晶，还显著提高了与供体的混溶性。得益于此，BTP-Si4和PNTB6-Cl:BTP-Si4共混物表现出与以往报道显著不同的性能，可拉伸性高达95.5%。此外，s-OSC在实现14.6%功率转换效率（PCE）的同时，展现了卓越的机械稳健性，即使在80%的大拉伸应变下，仍能保持82%的初始PCE。这些结果表明，合理设计受体分子、优化SMA性能以及实现供体与受体的最佳混溶性，是打造高效且机械稳健OSC的关键。

来源：华中科技大学，爱科会易仅用于学术交流。