朱宗龙&于涵&颜河团队AEM：聚合物受体客体组分降低活性层弹性模量、同时提高有机太阳能电池光伏与机械性能

有机光伏（ OPV ）相较于其他光伏器件的一个显著优势是利用其本征柔性加以应用（如弯折、可拉伸器件等），继而受到研究者们的广泛关注。然而，由于非富勒烯小分子受体较强的结晶性，目前基于 Y6 小分子受体衍生物的共混薄膜，往往会在弯折等外加应力的条件下出现断裂，从而引起柔型器件的性能急剧下降。 香港城市大学朱宗龙、香港理工大学于涵、香港科技大学颜河 研究团队在全聚合物太阳能电池近三年积累了丰厚的材料设计和器件优化的研究成果（ Adv. Mater. 2022, 34, 2200361; Adv. Energy Mater. , 2022, 12, 2202729; Adv. Funct. Mater. , 2023, 33, 2300712; Nat. Commun. , 2023, 14, 2323; Joule , 2024, 8, 2304; Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2400131 ）。由于全聚合物体系相较于小分子体系拥有更加稳定的高分子二级结构，使得最终器件的形貌稳定性显著提升，基于以上研究基础，引入聚合物受体作为客体分子到高效率体系中有望实现高效、稳定的柔性有机光伏器件。

近期， 香港城市大学朱宗龙、香港理工大学于涵团队等人 系统研究了基于 PM6:mPh4F-TT 的逐层旋涂柔性有机光伏器件，并通过分别引入含硒取代的近红外窄带隙小分子受体 mPh4F-TS 和聚合物受体 PYSe2F-T 来调节活性层的吸收光谱、电荷转移动力学和薄膜力学特性。研究发现，虽然小分子受体 mPh4F-TS 能显著提升器件的性能（三元刚性器件 19.6% ），但因为较强的结晶性和堆积性质，对于柔性器件的弯折力学稳定性有不利影响；相反，引入聚合物受体 PYSe2F-T 则能够同时实现拓宽的吸收光谱和提升的光伏性能（三元刚性器件 19.2% ），我们利用了聚合物的无定形态特征来优化柔性器件的弯折力学性能，并实现了优异的弯折力学稳定性。对于机械性能，朱宗龙团队特别提出了 断裂密度 这一参数，用以衡量薄膜对弯折应力的耐受性，研究表明这一特性与薄膜的弹性模量参数密切相关。通过分析薄膜在不同弯折半径下的断裂行为，发现使用了 PYSe2F-T 的三元薄膜能显著降低薄膜在较小弯折半径下（ R =1 mm ）的断裂密度，并将薄膜的弹性模量从 4.7 GPa 降低到 3.6 GPa ，而添加小分子客体 mPh4F-TS 则升高到了 5.5 GPa 。随后，通过理论计算构筑了断裂密度、弹性模量和施加应变的互相关联，实验的断裂密度和理论计算结果相吻合，这为以后预测活性层的断裂行为提供了有力的理论与实验支持。

图 1 . 本文涉及的材料结构、能级分布和紫外可见吸收光谱。

图 2 . （ a ）光伏特性曲线，（ b ）外量子效率曲线，（ c ） PCE 分布，（ d ）柔性器件光伏特性曲线 , （ e ）柔型器件结构；（ f-h ）弯折测试的相关数据。

图 3 . （ a-c ）刚性器件、柔型器件（弯折前后）的理想因子、比例系数、激子分离和收集效率的变化趋势；（ d-e ）二元和三元薄膜在弯折前后的光学图像以及 (f) 不同弯折半径下对应的薄膜断裂密度

图 4 薄膜的（ a ） AFM 和 (b) DMT 弹性模量以及（ c ）弯折示意图；（ d ）理论计算断裂密度和弹性模量的关系（ e ）预测的应变 - 断裂密度关系和实验数据

小结 ：通过创新性地引入聚合物受体作为第三组分，成功地构建了一种高性能且机械稳定性突出的三元有机柔性器件。本文系统研究了基于 PM6:mPh4F-TT 的逐层旋涂柔性有机光伏器件，并通过引入小分子受体 mPh4F-TS 和聚合物受体 PYSe2F-T 来优化器件性能与机械稳定性。研究发现， mPh4F-TS 能提升刚性器件效率至 19.6% ，但其高结晶性不利于柔性器件的弯折机械性能提升；相比之下， PYSe2F-T 不仅可提升柔性器件的光伏性能，并且增强器件的机械性能、降低弹性模量（ 4.7 GPa→3.6 GPa ）、显著降低薄膜断裂密度。理论计算进一步验证了实验结果，为未来活性层材料的设计提供了新的思路。

本文的第一作者是香港城市大学大学博士生王焱，共同第一作者为香港理工大学助理教授于涵教授、成都电子科技大学副研究员赵聃博士和香港科技大学的刘伟博士。本文的通讯作者为香港理工大学于涵教授、香港科技大学颜河教授、香港城市大学的柴愚教授和朱宗龙教授。

原文链接： https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202404499

通讯作者简介：

于涵教授简介：

颜河教授简介：

颜河教授于 2000 年本科毕业于北京大学化学系； 2004 年在美国西北大学获得博士学位，师从美国总统奖获得者 Tobin Marks 教授。 2006-2011 年带领 polyera 公司的研究小组研发柔性显示器和太阳能电池材料。 2012 年至今就职于香港科技大学化学系，并于 2023 年成为香港科技大学讲席教授。颜河教授在有机及钙钛矿太阳能电池领域做出了杰出的贡献，发表论文 370 余篇，被引用超 48000 次， H 因子 105 ，并于 2020 年获得了腾讯 “ 科学探索奖 ” ，同年担任香港的 RGC 研究员，并连续 6 年获得 “ 高被引科学家 ” 的称号，研究成果在 2015 年被美国国家可再生能源实验室收录进著名的 “best research-cell efficiency chart” 世界纪录表。

颜河教授建立了以香港为中心的国际跨学科研究平台，同时还具有丰富的产业化经验，是中国新型光伏技术产业化的引领者，并于 2018 年创立了深圳易柔光伏有限公司，提出了有机光伏产业化新路线，并带领公司多次获得创业大赛奖项。 2019 年，公司荣获第十一届中国深圳创新创业大赛新能源及节能环保产业组决赛一等奖。同年，公司从全国 7 个区域比赛的 1279 个项目中脱颖而出，在香港科技大学与越秀集团联合举办的 “ 百万创业大赛 ” 中获得冠军。

朱宗龙教授简介

朱宗龙教授于 2010 年毕业于南京大学化学系， 2015 年在香港科技大学获得博士学位。随后，朱教授加入美国华盛顿大学西雅图分校材料科学与工程系，担任博士后研究员。 2018 年 6 月，朱宗龙教授加入香港城市大学化学系，出任助理教授，并于 2025 年成为香港城市大学讲席教授。朱宗龙教授的研究主要集中于无机 / 有机材料的设计，并将材料的合成、物理性质与器件性能相结合，应用于光电器件领域。朱宗龙教授对钙钛矿和有机太阳能电池领域做出了杰出的贡献，发表论文 150 余篇，被引用超 19000 次， H 因子 78 ，并连续多年获得 “ 高被引科学家 ” 的称号和多项基金资助。朱宗龙教授在国际知名期刊上发表了多篇论文，包括《科学》、《自然 · 纳米技术》、《自然 · 通讯》、《美国化学会志》、《德国应用化学》、《先进材料》等。他的研究不仅在学术界产生了重要影响，也为推动光电器件的商业化应用做出了贡献。

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