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可穿戴光电设备（如可拉伸晶体管、显示器和传感器）因能在机械变形下正常运行而备受关注，但其供电组件通常占用较大空间，限制了一体性和可靠性。有机太阳能电池（OSC）因其轻便、柔韧、可拉伸和溶液加工特性，成为这些设备的潜力电源。目前刚性 OSC 的功率转换效率（PCE）已超过 20%，但可适应高应变（>30%）的可拉伸 OSC（s-OSC）研究仍然有限。开发延展性光敏混合物面临挑战：如聚合物供体的高结晶度有助于光吸收但抑制延展性，而现有的小分子受体（SMA）普遍脆弱（极限应变<5%）。尽管通过添加延展性材料提升了拉伸性能，但现有高性能混合物的最大拉伸性仍不足 33%，且效率远低于刚性或可弯曲 OSC。当前，实现同时具备高效率（PCE > 10%）和高机械拉伸性（εu > 30%）的 s-OSC 仍是一个未解决的难题。

在此，华中科技大学邵明教授联合佐治亚理工学院Antonio Facchetti院士和Seung Soon Jang教授共同开发了一种专为可拉伸有机太阳能电池设计的小分子受体（SMA），也称为非富勒烯受体（NFA），兼具出色的机械柔韧性和电池性能。通过将有机硅烷功能化的 SMA（BTP-Si4）与聚合物供体（PNTB6-Cl）相结合，成功实现了超过 16% 的功率转换效率（PCE）和超过 95% 的极限应变（εu）。与传统 SMA 会抑制混合物延展性不同，BTP-Si4 的加入不仅避免了这一问题，还显著增强了延展性。尽管 BTP-Si4 的结晶度低于其他 SMA，但它保留了较高的电子迁移率，并且与 PNTB6-Cl 具有很好的混溶性，这对提升混合物的拉伸性能至关重要。实验还表明，这种 s-OSC 在功率转换效率超过 14% 的同时，可以在多种变形条件下正常运行，比如在 80% 应变时，PCE 保留率仍超过 80%。此外，通过分析多种 SMA-聚合物混合物的特性，研究总结了分子结构、混溶性和拉伸性之间的关联，为设计高性能可拉伸太阳能电池提供了新思路。相关成果以“Mechanically robust and stretchable organic solar cells plasticized by small-molecule acceptors”为题发表在《Science》上，第一作者为Zhenye Wang，Di Zhang和Lvpeng Yang为共同一作。

刚性太阳能电池的材料和光伏性能

作者对 BTP-Si4 和 Y6 与延展性供体聚合物 PNTB6-Cl 的性能进行了对比研究（图 1A）。BTP-Si4 的设计在核心结构与 Y6 相同的基础上，通过有机硅烷侧链的功能化，优化了其分子堆叠和混溶性，使其在抑制过度聚集的同时增强了延展性和电荷传输能力。尽管 BTP-Si4 的电子迁移率略低于 Y6，但其更好的混溶性和三维电荷传输特性为 PNTB6-Cl:BTP-Si4 器件带来了略高的功率转换效率（PCE，16.2% 对比 Y6 的 15.7%）（图 1C）。此外，通过将 Y6 引入 BTP-Si4 共混物中制备的三元器件，PCE 提升至 17.0%（图 1D）。实验还显示，BTP-Si4 的低结晶度和优化的电荷转移能级（ΔE2 较小）有效降低了非辐射复合损失（ΔE3 = 0.20 eV），并通过增强的电致发光量子产率（图 1F）验证了其优异性能。整体结果表明，BTP-Si4 作为新型 SMA，不仅在光电性能上超越了 Y6，还通过改善机械柔韧性和混溶性，为高效可拉伸 OSC 的发展提供了新方向。

图1.光敏材料的分子结构和光伏响应

光敏材料和共混物的机械性能

通过“水上薄膜拉伸测试”（FOW）评估了原材料和共混物的机械性能。原始 PNTB6-Cl 薄膜表现出优异的延展性，εu 达到 66.3%，具备作为 s-OSC 延展性供体的潜力。相比之下，基于 BTP-Si4 的共混薄膜表现出显著改进，其 εu 高达 93.9%（图 2A），而三元共混物 PNTB6-Cl:BTP-Si4:Y6 在实现超过 17% PCE 的同时，仍保留了 74.0% 的高延展性。光学显微镜成像表明，BTP-Si4 共混薄膜在 100% 应变下仅出现少量小裂纹，展现了优异的应变耐受性（图 2B），而 Y6 共混薄膜在 25% 应变后裂纹显著，二色性比（DR）趋于稳定，BTP-Si4 共混薄膜的 DR 则持续增加，进一步验证其拉伸性能。将材料的 εu 与已报道数据对比发现，PNTB6-Cl:BTP-Si4 二元薄膜同时实现了高效（PCE > 16%）和高延展性（εu > 95%），突破了传统材料在效率与拉伸性间的权衡（图 2C）。此外，尽管 BTP-Si4 共混薄膜的弹性模量和拉伸强度低于 Y6 共混薄膜，其韧性高达 18.8 MJ/m³，是 Y6 共混薄膜（2.2 MJ/m³）的九倍，展现出优异的机械稳健性。

图 2. 共混薄膜的机械和形态特性

可拉伸 OSC

利用 PNTB6-Cl:BTP-Si4 的优异延展性，成功制备了可拉伸有机太阳能电池（图 3A），其平均功率转换效率（PCE）达到 14.1%，在已报道的 s-OSC 中表现出显著性能提升（图 3B）。这些器件在 20% 应变下几乎无性能退化，在 80% 应变下仍保留了 82% 的初始 PCE（图 3C），展现出卓越的机械延展性和结构稳固性。经过半径 2 毫米的 1000 次弯曲循环后，PCE 保持超过 90%；在 30% 应变下的 1000 次循环后仅轻微下降约 25%，进一步证明了其出色的耐久性和机械稳健性（图 3D）。此外，该 s-OSC 与人类手指关节和手腕集成时，在高达 45% 应变下保持稳定的光电流输出（图 3E）。由六个串联 s-OSC 组成的可拉伸太阳能模块，在弯曲手腕（30% 应变）时仍能稳定输出 5V 电压，满足大多数可穿戴设备的需求（图 3F）。进一步的实验将 s-OSC 与脉搏血氧计集成，成功实现了自供电健康监测系统，展示了其在疾病早期诊断和治疗中的应用潜力。

图 3. 可拉伸 OSC 特性

分子结构和共混物形态与机械性能

研究表明，PNTB6-Cl:BTP-Si4 共混薄膜的高延展性得益于 PNTB6-Cl 主链的波状构象、BTP-Si4 的 N 官能化以及两者之间优异的混溶性。BTP-Si4 的引入显著提高了混合膜的机械柔韧性，将延展性（εu）从 PNTB6-Cl:Y6 的 10.2% 提升至 95.5%，并优化了薄膜的混合形态和自由体积（图 4B）。混溶性分析显示，BTP-Si4 的过渡浓度（CAP ~1.45）高于 Y6（CAP ~1.05），提供了更好的混溶性和性能（图 4C）。在 CAP 附近，PNTB6-Cl:BTP-Si4 的 εu 和 PCE 同时达到最佳，而 Y6 共混物则因脆性导致性能下降。此外，器件在室温和 55°C 下表现出优异的稳定性，证明了其优化的结构和热弛豫特性。综上，BTP-Si4 的加入通过改善混溶性和机械性能，为 s-OSC 的高效性和延展性提供了有效的设计策略（图 4D）。

图4.共混膜的极限应变增强机制

SMA 分子设计具有高 PCE 和延展性

作者对比了 BTP-Si4 和 Y6 系列小分子受体（SMA）在分子结构、混溶性和延展性之间的关系，揭示了 BTP-Si4 系列的独特优势。通过调整分支点位置和链长度，发现增加烷基链长度能够降低混溶性参数（χ）和表观活化能（Ea），从而增强供体与 SMA 的混溶性，减少链聚集，并增加自由体积（图 5A 和 5B）。在 Y6 系列中，尽管优化 χ 可提升延展性（εu），但过多链延伸会降低 PCE，且所得薄膜较脆（图 5D）。相比之下，BTP-Si4 系列展现出显著的延展性和高 PCE，表现出更高的 εu 和更低的 Ea，同时保持稳定的光伏性能（图 5C 和 5E）。最佳的 BTP-Si4 和 BTP-Si6 实现了高 PCE 和 εu，得益于分支设计抑制了核心过度聚集并促进了供体混溶。进一步研究表明，这些结果不局限于 PNTB6-Cl，BTP-Si4 系列在 PM6:SMA 混合物中也表现出相似的趋势，支持其在不同供体体系中的适用性，并确立了 χ 和 εu 的线性关系（图 5E），表明降低 χ 是提高延展性和 PCE 的关键设计策略。

图5. 分子结构、混溶性、表观活化能和极限应变之间的关系

小结

作者证明了可拉伸供体 PNTB6-Cl 和受体 BTP-Si4 在高度可变形有机太阳能电池（OSC）中的应用潜力。BTP-Si4 的设计特点是其分子结构中引入了硅支化点，这不仅抑制了共混物中过度结晶，还显著提高了与供体的混溶性。得益于此，BTP-Si4 和 PNTB6-Cl:BTP-Si4 共混物表现出与以往报道显著不同的性能，可拉伸性高达 95.5%。此外，s-OSC 在实现 14.6% 功率转换效率（PCE）的同时，展现了卓越的机械稳健性，即使在 80% 的大拉伸应变下，仍能保持 82% 的初始 PCE。这些结果表明，合理设计受体分子、优化 SMA 性能以及实现供体与受体的最佳混溶性，是打造高效且机械稳健 OSC 的关键。