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  近日，天津大學(xué)耿延候/葉龍團隊聯(lián)合蘭州大學(xué)張浩力團隊、中科院化學(xué)所侯劍輝團隊、北京化工大學(xué)張志國團隊，基于分子增韌新策略構(gòu)筑了高效率本征可拉伸有機光伏電池，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展，但在實現(xiàn)長期穩(wěn)定性和機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光伏共混薄膜中廣泛存在。因此，如何在光、熱和機械應(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，當采用非鹵溶劑鄰二甲苯（o-XY）進行器件加工時，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