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天津大學葉龍教授等 EES：分子增韌新策略協同提升有機光伏電池的效率、穩定性、本征可拉伸性、機械耐久性和輸出功率

2025-02-13 來源：高分子科技

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

有機光伏電池因其輕質、柔性、半透明、色彩可調及可大面積溶液加工等優勢，在便攜式可穿戴電子設備和物聯網等領域展現出廣闊的應用前景。然而，為了滿足各類可穿戴應用的需求，這些電池必須在經歷數千次彎曲、拉伸等機械變形的同時，仍能保持穩定的功率輸出。在這一背景下，本征可拉伸有機光伏電池（IS-OPV）作為一種新興技術應運而生。IS-OPV最顯著的優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備中的巨大應用潛力。

盡管近年來IS-OPV在光電轉換效率和力學性能研究方面取得了顯著進展，但在實現長期穩定性和機械魯棒性方面仍面臨著關鍵挑戰（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，導致其共混薄膜的斷裂應變通常小于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、熱和機械應力的共同作用下，實現兼具高效率、優異耐久性和長期運行穩定性的IS-OPV，仍然是該領域亟待攻克的重要課題。

針對這一難題，天津大學材料學院光電高分子材料團隊葉龍教授與合作者最近提出了一種分子增韌策略構筑高性能IS-OPV器件。首先，引入新型鏈接分子TDY-α（Nat. Commun. 2023, 14, 2926）作為增韌劑（圖1），有效提升了經典的PM6:BTP-eC9共混體系的光伏性能和熱穩定性。其次，采用厚膜的方式改善器件在動態應力下的抗拉伸和抗彎曲性能，進一步優化了聚合物:非富勒烯小分子共混體系的本征可拉伸性、機械耐久性和輸出功率。他們還基于高精度的高分子超薄膜拉伸測試，揭示了高效率有機光伏共混薄膜力學性能的膜厚依賴性。該研究為同時提升有機光伏器件的效率、穩定性、本征可拉伸性、機械耐久性和輸出功率提供了一種有效的策略。

圖1. 分子增韌劑TDY-α的結構及其在構筑IS-OPV的應用示意圖。（b）剛性器件的J-V曲線。（c）最優的PM6:eC9:TDY-α共混體系在不同溶劑中的光電轉換效率對比。（d）在100 ^oC連續熱退火下共混薄膜的穩定性。

同步輻射掠入射X射線散射結果表明，TDY-α的引入可有效調節受體分子的聚集和結晶行為，從而改善共混薄膜的形貌穩定性，提高載流子遷移率，減少非輻射能量損失，并有效抑制電荷復合。在PM6:eC9體系中，加入20 wt%的TDY-α時，器件的光電轉換效率提高至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，在剛性器件中實現了19.10%的光電轉換效率，進一步展現了該策略的環保潛力。同時，優化后的三元共混薄膜在100 ^oC退火后仍保持優異的熱穩定性。

隨后，該團隊研究了不同厚度共混膜的光伏性能和力學性能（圖2），闡明了高效率聚合物:非富勒烯共混體系的力學性能隨膜厚的依賴性演變。厚膜策略能夠通過增加薄膜的整體厚度，減少由于薄膜過薄而導致的機械斷裂和形變，進而增強器件的機械穩定性。這一策略不僅有助于改善器件在動態應力下的抗拉伸和抗彎曲性能，還能在一定程度上緩解材料脆性對整體器件性能的負面影響。

圖2. （a）不同活性層厚度的二元和最優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變（COS）和20%、40%應變下的顯微圖像。（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力-應變曲線。

最終，該團隊使用熱塑性聚氨酯基底和液態金屬電極成功制備了IS-OPV器件（圖3），并獲得了超過15%的光電轉換效率。與傳統薄膜構筑的器件相比，厚膜IS-OPV表現出更優異的可拉伸性和機械穩定性。當活性層厚度超過300 nm時，厚膜器件在彎曲1000次后仍能保持其初始性能的92%以上；在15%應變下經歷1000次重復拉伸-釋放循環后，仍能維持初始效率的80%以上。相比之下，傳統薄膜器件在經歷重復的機械應力后則出現明顯破壞。這一研究結果進一步驗證了厚膜策略在提升有機光伏器件耐用性方面的優勢。

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

上述研究強調了分子增韌和厚膜策略在可拉伸應用中的優勢，為構建高效、穩定且可拉伸的有機光伏器件提供了新的解決方案，有助于可穿戴光伏技術的發展。這一成果近期發表在Energy & Environmental Science上，論文的第一作者為天津大學材料學院博士畢業生鮮開虎（現為蘭州大學化學化工學院萃英博士后，合作導師：張浩力教授），通訊作者為天津大學葉龍教授。此外，該研究得到了天津大學耿延候教授、蘭州大學張浩力教授、中科院化學所侯劍輝研究員、北京化工大學張志國教授的大力支持與指導。該研究工作得到了國家自然科學基金委、天津市杰出青年科學基金、湖北隆中實驗室和天津大學北洋學者英才計劃的資助，同時上海同步輻射光源重點課題（BL02U2線站）為掠入射X射線散射測試提供了重要支持。

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

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（責任編輯：xu）

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