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南科大何鳳教授、華科大邵明教授 Angew：新型柔性連接電子受體助力高性能可拉伸有機(jī)太陽能電池
2025-03-13  來源：高分子科技

  本征可拉伸有機(jī)太陽能電池（IS-OSCs）因其輕質(zhì)、超柔性、拉伸性、可大面積制備等優(yōu)勢，在下一代可穿戴能源技術(shù)領(lǐng)域中展現(xiàn)出無與倫比的應(yīng)用潛力。盡管近年來IS-OSCs在光電轉(zhuǎn)化效率和機(jī)械可拉伸性方面取得了顯著進(jìn)展，但仍難以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。當(dāng)前，實(shí)現(xiàn)高性能IS-OSCs的最大挑戰(zhàn)之一是制備兼具良好電學(xué)和力學(xué)性能的光活性層。雖然小分子受體的快速發(fā)展將剛性O(shè)SCs的光電轉(zhuǎn)換效率推到20%以上，但這類受體普遍較脆，致使光活性層斷裂應(yīng)變較低（＜10%）。因此，亟需提出有效的策略對電子受體的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造，進(jìn)而協(xié)同提升IS-OSCs的器件效率和機(jī)械強(qiáng)度。


  近期，南方科技大學(xué)何鳳教授團(tuán)隊(duì)與華中科技大學(xué)邵明教授團(tuán)隊(duì)提出創(chuàng)新的分子設(shè)計(jì)策略，成功開發(fā)出一種新型柔性連接電子受體材料，該材料是該團(tuán)隊(duì)對前期報道的電子受體分子結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化（Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202403139）。這種新型受體材料顯著提升了有機(jī)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和機(jī)械拉伸性能，為下一代便攜式電子和可穿戴設(shè)備的能源供應(yīng)提供了新的解決方案。該工作以“High-Performance Intrinsically-Stretchable Organic Solar Cells Enabled by Electron Acceptors with Flexible Linkers”為題發(fā)表在《Angewandte Chemie International Edition》上（Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202421430）。文章第一作者是南方科技大學(xué)博士后丁亞飛，共同第一作者為南方科技大學(xué)碩士研究生熊世龍。


圖1 新型柔性連接電子受體的巧妙設(shè)計(jì)與精準(zhǔn)合成


  創(chuàng)新分子設(shè)計(jì)：首先，該團(tuán)隊(duì)通過擴(kuò)展共軛骨架和延長烷基側(cè)鏈等手段，設(shè)計(jì)合成了一種新型二聚體DY-FBrL，有效改善了受體材料的電荷傳輸特性和機(jī)械力學(xué)性能。因此，基于DY-FBrL的剛性O(shè)SCs實(shí)現(xiàn)了18.75%的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE），同時其共混膜的裂紋起始應(yīng)變（COS）達(dá)到18.54%。在此基礎(chǔ)上，利用Stille偶聯(lián)反應(yīng)，將二聚體DY-FBrL進(jìn)一步聚合化，成功制備了聚合物受體PDY-FL。雖然聚合導(dǎo)致PDY-FL的器件效率略有下降（PCE = 14.13%），但是其機(jī)械性能顯著提高（COS = 23.45%），使其成為目前報道的柔性連接的聚合物受體中PCE和COS最高的材料之一。


圖2 剛性有機(jī)太陽能電池的器件性能表征


  器件性能突破：為了驗(yàn)證這些新型柔性連接電子受體在可穿戴器件中的應(yīng)用潛力，研究團(tuán)隊(duì)分別制備了基于DY-FBrL和PDY-FL的可拉伸器件。結(jié)果顯示，基于DY-FBrL和PDY-FL的IS-OSCs的初始PCEs分別為14.31%和11.61%，同時其可拉伸性顯著優(yōu)于基于小分子受體的IS-OSCs。具體而言，Y6基器件的80%PCE保留率對應(yīng)拉伸應(yīng)變?yōu)?/span>11%，而基于DY-FBrL和PDY-FL的器件分別提升至23%和31%，展現(xiàn)了卓越的機(jī)械拉伸性能。


圖3 可拉伸有機(jī)太陽能電池的光伏性能和機(jī)械性能研究


  上述研究強(qiáng)調(diào)了化學(xué)手段在調(diào)控電子受體的結(jié)構(gòu)和性能中的重要作用，為開發(fā)高性能本征可拉伸有機(jī)太陽能電池提供了新的有效方案。隨著柔性電子技術(shù)的不斷發(fā)展，這類新興有機(jī)光伏器件有望在人體健康監(jiān)測、智能穿戴、人機(jī)交互等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。該項(xiàng)目得到國家自然科學(xué)基金的資助，在此表示感謝。


  論文鏈接：

  Yafei Ding, Shilong Xiong, Waqar Ali Memon, Di Zhang, Zhi Wang, Mingpeng Li, Zihao Deng, Heng Li, Ming Shao,* and Feng He*. High-Performance Intrinsically-Stretchable Organic Solar Cells Enabled by Electron Acceptors with Flexible Linkers. Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202421430.     DOI:10.1002/anie.202421430.

  https://doi.org/10.1002/anie.202421430

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