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  近日，天津大學(xué)耿延候/葉龍團(tuán)隊聯(lián)合蘭州大學(xué)張浩力團(tuán)隊、中科院化學(xué)所侯劍輝團(tuán)隊、北京化工大學(xué)張志國團(tuán)隊，基于分子增韌新策略構(gòu)筑了高效率本征可拉伸有機(jī)光伏電池，相關(guān)研究工作以“Simultaneously Improving Efficiency, Stability and Intrinsic Stretchability of Organic Photovoltaic Films via Molecular Toughening”為題發(fā)表于《Energy & Environmental Science》期刊。

  有機(jī)光伏電池因其輕質(zhì)、柔性、半透明、色彩可調(diào)及可大面積溶液加工等優(yōu)勢，在便攜式可穿戴電子設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，為了滿足各類可穿戴應(yīng)用的需求，這些電池必須在經(jīng)歷數(shù)千次彎曲、拉伸等機(jī)械變形的同時，仍能保持穩(wěn)定的功率輸出。在這一背景下，本征可拉伸有機(jī)光伏電池（IS-OPV）作為一種新興技術(shù)應(yīng)運而生。IS-OPV最顯著的優(yōu)勢之一是其在拉伸過程中能夠保持甚至增強(qiáng)輸出功率（Energy Environ. Sci., 2024, 17, 5950; Adv. Energy Mater., 2025, 2405217），這一特性在剛性光伏電池中從未被觀察到，賦予其在未來柔性電子設(shè)備中的巨大應(yīng)用潛力。

  盡管近年來IS-OPV在光電轉(zhuǎn)換效率和力學(xué)性能研究方面取得了顯著進(jìn)展，但在實現(xiàn)長期穩(wěn)定性和機(jī)械魯棒性方面仍面臨著關(guān)鍵挑戰(zhàn)（Adv. Mater., 2024, 36, 2307278; Prog. Polym. Sci., 2024, 159, 101899）。目前，效率超過20%的有機(jī)光伏器件主要依賴于非富勒烯小分子受體，然而這類材料普遍具有很高的脆性，導(dǎo)致其共混薄膜的斷裂應(yīng)變通常小于8%，極大限制了器件的機(jī)械耐久性。這一脆性問題在基于非富勒烯小分子受體的有機(jī)光伏共混薄膜中廣泛存在。因此，如何在光、熱和機(jī)械應(yīng)力的共同作用下，實現(xiàn)兼具高效率、優(yōu)異耐久性和長期運行穩(wěn)定性的IS-OPV，仍然是該領(lǐng)域亟待攻克的重要課題。

圖1. 分子增韌劑TDY-α的結(jié)構(gòu)及其在構(gòu)筑IS-OPV的應(yīng)用示意圖。（b）剛性器件的J-V曲線。（c）最優(yōu)的PM6:eC9:TDY-α共混體系在不同溶劑中的光電轉(zhuǎn)換效率對比。（d）在100 ^oC連續(xù)熱退火下共混薄膜的穩(wěn)定性。

  同步輻射掠入射X射線散射結(jié)果表明，TDY-α的引入可有效調(diào)節(jié)受體分子的聚集和結(jié)晶行為，從而改善共混薄膜的形貌穩(wěn)定性，提高載流子遷移率，減少非輻射能量損失，并有效抑制電荷復(fù)合。在PM6:eC9體系中，加入20 wt%的TDY-α時，器件的光電轉(zhuǎn)換效率提高至18.80%，顯著高于二元體系PM6:eC9（17.76%）和PM6:TDY-α（16.02%）。此外，當(dāng)采用非鹵溶劑鄰二甲苯（o-XY）進(jìn)行器件加工時，在剛性器件中實現(xiàn)了19.10%的光電轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)一步展現(xiàn)了該策略的環(huán)保潛力。同時，優(yōu)化后的三元共混薄膜在100 ^oC退火后仍保持優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。

圖2. （a）不同活性層厚度的二元和最優(yōu)三元剛性器件的光伏效率。（b）基于500 nm活性層厚度的器件外量子效率曲線。（c）彈性體上薄膜拉伸和水上薄膜拉伸兩種測試方法的示意圖。（d）不同厚度的PM6:eC9:TDY-α共混膜在其裂紋起始應(yīng)變（COS）和20%、40%應(yīng)變下的顯微圖像。（e）使用FOE方法測試的不同厚度共混膜的COS值。（f）高分子超薄膜拉伸測試儀測得的不同厚度共混膜的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖3. （a）IS-OPV器件結(jié)構(gòu)示意圖。（b）基于PM6:eC9:TDY-α共混薄膜的最優(yōu)IS-OPV器件的J-V曲線。（c）IS-OPV器件在不同應(yīng)變下的PCE和輸出功率。（d）IS-OPV器件的彎曲測試結(jié)果。（e）IS-OPV器件在15%應(yīng)變下循環(huán)拉伸測試結(jié)果。

  論文信息：

  Kaihu Xian, Kai Zhang, Tao Zhang, Kangkang Zhou, Zhiguo Zhang, Jianhui Hou, Haoli Zhang, Yanhou Geng, Long Ye*, Simultaneously Improving Efficiency, Stability and Intrinsic Stretchability of Organic Photovoltaic Films via Molecular Toughening, Energy & Environmental Science, 2025, DOI: 10.1039/D4EE05893C.

  https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/ee/d4ee05893c