論文概覽
傳統(tǒng)本征可拉伸有機(jī)太陽能電池(is-OPVs)在實現(xiàn)高效率的同時常伴隨機(jī)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(jī)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(tuán)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(zhǔn)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(kuò)散能力的精準(zhǔn)調(diào)控。
2.分布行為可控：PMMA在PM6相中擴(kuò)散能力更強(qiáng)(24.4%進(jìn)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(jī)械性能雙突破：20 wt.% PMMA共混器件效率達(dá)18.53%(僅損失2%)，斷裂應(yīng)變提升至10.8%(增強(qiáng)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(dá)19.01%，為絕緣聚合物共混體系最高值之一。
?機(jī)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(yuǎn)優(yōu)于參比器件(50%)。
?策略普適性強(qiáng)：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(kuò)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(jī)械穩(wěn)定性的影響。PMMA基器件在效率(PCE達(dá)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(qiáng)了π-π堆疊強(qiáng)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(jìn)一步印證了PMMA通過促進(jìn)給體相有序化而優(yōu)化器件性能的機(jī)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(jī)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(zhǔn)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(kuò)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(jìn)分子有序堆積以保障電荷傳輸。該策略為高性能、高機(jī)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(xiàn)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
