【儀表網 研發快訊】有機太陽電池作為一種新興的清潔能源技術已引起廣泛關注。由于活性層材料本征柔性的優勢，有機太陽電池更易于完成與柔性電子器件的集成，實現在可穿戴能源，便攜式電子設備，農業溫室和生物醫學等方面的應用。近年來，由于在材料設計和器件工程方面取得的突破性進展，有機太陽電池的光電轉換效率實現了顯著增長。然而，目前高性能有機太陽電池的活性層體系在抵抗熱和彎折拉伸穩定性等方面仍難以滿足柔性電子器件的要求。因此，獲得同時具有高效高穩定性和機械性能的活性層體系對有機太陽電池的應用至關重要。
最近，在國家自然科學基金委和北京市科委的支持下，化學所有機固體實驗室李永舫課題組李驍駿副研究員等在高性能高穩定性有機光伏活性層體系方面取得新進展。他們通過柔性側鏈修飾策略，將可提供動態氫鍵的酯基引入到A-DA'D-A型小分子受體的苯并三唑(BTA)中間核的側鏈中，合成了具有不同長度乙酯基側鏈的小分子受體BTA-E3、BTA-E6和BTA-E9(分子結構見圖1a)，研究了乙酯基側鏈上提供的動態氫鍵和柔性側鏈長度對有機太陽電池光伏性能和機械穩定性的影響。分子中酯基的引入主要是考慮到其可以在分子間提供動態化學鍵(氫鍵)，從而改變分子間的相互作用，影響分子堆疊行為，促進載流子的輸運；同時活性層中動態化學鍵網絡的形成有利于降低分子擴散，提升活性層形貌穩定性；而低鍵能的動態化學鍵在外力作用下可以優先吸收應變時釋放的能量，使體系獲得更好的力學穩定。其中基于BTA-E3的活性層體系比具有相同烷基鏈但不含酯基的BTA-C6體系，表現出更加緊密且有序的分子堆積和致密的三維電荷傳輸通道以及更有利的相分離和垂直相分布(圖1c)，因此基于BTA-E3的有機光伏器件具有更高效的激子解離和載流子輸運。最終，使用非鹵溶劑鄰二甲苯加工的基于PM6:BTA-E3的有機太陽電池的光電轉換效率達到了19.92%(認證效率為19.57%)，填充因子達到了80.63%，創造了綠色溶劑加工的二元有機太陽電池的記錄效率。最重要的是，PM6:BTA-E3活性層體系的裂紋起始應變值從基于BTA-C6體系的4.3%提高到了7.0%，韌性模量增加了接近兩倍達到0.79 MJ m-3，大幅超過了沒有乙酯基側鏈的PM6:BTA-C6活性層體系。而且與基于BTA-C6的器件相比，以PM6:BTA-E3為活性層的柔性有機光伏器件的光電轉換效率達到18.33%，機械耐受性也顯著提高。此外，PM6:BTA-E3活性層體系也表現出更好的熱穩定性和存儲穩定性。
該研究表明，動態氫鍵修飾策略對提高器件光伏性能、柔性拉伸性能和器件穩定性具有重要意義，這一策略為柔性小分子受體材料的設計和發展提供了新的思路。相關成果近期發表在Nature Communications上(Nat. Commun. 2025,16,787.)，文章第一作者為博士生賀浩哲，通訊作者為李驍駿副研究員和李永舫研究員。
圖1. a,BTA-C6,BTA-E3,BTA-E6和BTA-E9的分子結構；b,BTA-E3的單晶結構分析；c,活性層共混膜中氫鍵交聯網絡示意圖。
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