論文概覽
傳統(tǒng)本征可拉伸有機太陽能電池(is-OPVs)在實現(xiàn)高效率的同時常伴隨機械性能的犧牲，存在“效率-拉伸性”權(quán)衡難題。現(xiàn)有絕緣聚合物共混策略雖可提升機械性能，但常因相容性差、分布不均導(dǎo)致光電性能顯著下降。天大葉龍、江西理工黃斌團隊創(chuàng)新性地提出側(cè)鏈工程策略，設(shè)計非芳香族側(cè)鏈的PMMA與芳香族側(cè)鏈的PBMA兩種絕緣聚合物，系統(tǒng)調(diào)控其在PM6:Y6活性層中的分布行為，實現(xiàn)效率與拉伸性的協(xié)同提升。該研究以"Side‐Chain‐Engineered Insulating Polymer Distribution Enables High‐performance Intrinsically Stretchable Organic Photovoltaics"為題發(fā)表于頂級期刊Advanced Materials。
技術(shù)亮點
(資料圖片僅供參考)
1.側(cè)鏈結(jié)構(gòu)精準設(shè)計：PMMA(脂肪族側(cè)鏈)與PBMA(芳香族側(cè)鏈)分別通過S***O非共價作用與π-π堆積與給受體相互作用，實現(xiàn)分布位置與擴散能力的精準調(diào)控。
2.分布行為可控：PMMA在PM6相中擴散能力更強(24.4%進入PM6區(qū)域)，優(yōu)先分布于PM6非晶區(qū)，形成纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)，提升應(yīng)力耗散能力。
3.效率與機械性能雙突破：20 wt.% PMMA共混器件效率達18.53%(僅損失2%)，斷裂應(yīng)變提升至10.8%(增強2.2倍)，拉伸循環(huán)100次后仍保持87%初始效率。
研究意義
?效率突破：10PMMA剛性器件效率達19.01%，為絕緣聚合物共混體系最高值之一。
?機械穩(wěn)定性飛躍：20PMMA可拉伸器件在10%應(yīng)變循環(huán)100次后效率保持87%，遠優(yōu)于參比器件(50%)。
?策略普適性強：該策略在PM6:BTP-eC9與PM6:L8-BO體系中均獲驗證，PMMA共混器件均位于“高效率-高斷裂應(yīng)變”最優(yōu)區(qū)域。
深度精讀
該圖展示了PMMA和PBMA的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其在PM6:Y6體系中的分布行為。通過界面張力、潤濕系數(shù)和分子對接位置的對比，揭示了PMMA因脂肪族側(cè)鏈帶來的更低空間位阻和更高鏈擴散能力，使其更易滲透至PM6給體相的無定形區(qū)域，而PBMA的苯基側(cè)鏈則通過π-π作用錨定在共軛骨架上，限制了其分布靈活性。
此圖系統(tǒng)比較了不同絕緣聚合物添加劑對器件光電性能和機械穩(wěn)定性的影響。PMMA基器件在效率(PCE達19.01%)和拉伸性(斷裂應(yīng)變提升2.2倍)方面均優(yōu)于PBMA基器件，其優(yōu)異的電荷收集效率、平衡的載流子遷移率以及循環(huán)拉伸下87%的PCE保持率，凸顯了PMMA在解耦效率-拉伸性矛盾中的關(guān)鍵作用。
通過AFM、TEM和GIWAXS表征，揭示了PMMA和PBMA對活性層微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控差異。PMMA的引入在保持較低表面粗糙度的同時，顯著增強了π-π堆疊強度和結(jié)晶相干長度，而PBMA則因結(jié)晶動力學(xué)受阻導(dǎo)致有序性下降。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)化直接關(guān)聯(lián)于PMMA基器件更高的電荷傳輸效率。
基于原位紫外-可見吸收光譜，分析了PMMA和PBMA對PM6和Y6結(jié)晶路徑的影響。PMMA加速了PM6的預(yù)聚集(結(jié)晶時間縮短至4.9秒)，同時抑制Y6的過度結(jié)晶，而PBMA則延緩了兩組分的結(jié)晶過程。這種動力學(xué)差異進一步印證了PMMA通過促進給體相有序化而優(yōu)化器件性能的機制。
通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線和納米力學(xué)映射，明確了PMMA大幅提升薄膜斷裂應(yīng)變(10.8%)和韌性(1.21 MJ m?3)的效果。結(jié)合PFQNM和PiFM分析，發(fā)現(xiàn)PMMA選擇性分布于PM6無定形區(qū)形成糾纏網(wǎng)絡(luò)，而PBMA因空間限制難以有效增韌。該機制示意圖清晰展示了“剛區(qū)更剛、柔區(qū)更柔”的雙重調(diào)控策略。
結(jié)論展望
本研究通過側(cè)鏈工程精準調(diào)控絕緣聚合物在活性層中的分布行為，實現(xiàn)了“剛區(qū)更剛、柔區(qū)更柔”的雙模調(diào)控，有效解耦了效率與拉伸性之間的傳統(tǒng)權(quán)衡。PMMA憑借其優(yōu)異的相容性、高擴散能力與非共價作用位點，在PM6非晶區(qū)形成纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)以耗散應(yīng)力，同時在晶區(qū)促進分子有序堆積以保障電荷傳輸。該策略為高性能、高機械穩(wěn)定性可拉伸光電器件提供了普適性分子設(shè)計原則。
文獻來源
S. Sang, H. He, K. Zhou, X. Li, Y. Yue, Z. Chen, Q. Xiang, B. Huang, L. Ye, et al. Side‐Chain‐Engineered Insulating Polymer Distribution Enables High‐performance Intrinsically Stretchable Organic Photovoltaics.Adv. Mater. 2025. e10366. https://doi.org/10.1002/adma.202510366
關(guān)鍵詞： 太陽能電池
