专栏名称: 高分子科技

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南昌大学陈义旺、胡笑添团队 Adv. Mater.：多模态能量耗散使柔性有机光伏认证效率突破19%

高分子科技 · 公众号 · 化学 · 2024-12-11 13:05

主要观点总结

本文研究了便携式可穿戴设备在人体健康监测和医疗保健等领域的应用，重点关注了其背后的机械性能需求，包括柔韧性、可拉伸性和机械强度等方面。研究者们在全聚合物有机太阳能电池（OSCs）方面进行了深入探索，通过使用多模态能量耗散理论提升柔性器件的力学性能和光伏性能。南昌大学陈义旺团队通过在活性层薄膜中添加热塑性弹性体材料来共同提升柔性器件的性能，实现了19.4%的光电转换效率（PCE）。该研究为可穿戴设备的实际应用提供了有益的思路和技术支持。

关键观点总结

关键观点1: 便携式可穿戴设备的实际应用需要优异的机械性能，如柔韧性、可拉伸性和机械强度。

为了满足柔性器件的延展性要求，研究者们在全聚合物有机太阳能电池（OSCs）方面进行了深入探索。

关键观点2: 南昌大学陈义旺团队通过使用多模态能量耗散理论提升了柔性器件的力学性能和光伏性能。

该团队通过添加热塑性弹性体材料来共同提升柔性器件的性能，实现了19.4%的光电转换效率（PCE）。

关键观点3: 研究者们对活性层薄膜的性能进行了详细分析，包括其化学结构、混相性、力学性能、载流子传输特性、光学性能等方面。

为了提升柔性器件的性能，研究者们深入探究了弹性体材料在给体和受体材料中的互容性，并计算了不同弹性体材料的表面能变化和相互作用参数。

关键观点4: 该研究为可穿戴设备的实际应用提供了有益的思路和技术支持。

通过优化器件结构和材料性能，研究者们展示了柔性器件在人体健康监测和医疗保健等领域的应用潜力。

正文

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便携式可穿戴设备在人体健康监测、人机交互和医疗保健等方面具有巨大的应用潜力。除了基本的功能外，便携式可穿戴设备在实际场景中还需要优异的机械性能，如柔韧性、可拉伸性甚至可附着性。在现有的可穿戴电源技术中，全聚合物有机太阳能电池（ OSC s ）凭借优异的力学性能与光伏性能，展现出无与伦比的应用潜力。然而聚合后的小分子受体仍保留了小分子的部分力学性能和聚集性能，无法满足柔性器件的延展性要求。此外，柔性器件的 PCE 仍然滞后于刚性器件，并缺乏权威可靠的第三方认证，这无疑制约了柔性 OSCs 的实际应用，导致推广应用过程相对缓慢。因此，同时获得高光伏性能和优异的拉伸性能仍然是 OSCs 面临的巨大挑战。

基于此， 南昌大学陈义旺 & 胡笑添团队 基于多模态能量耗散理论，通过在 PM6:PBQx-TF:PY-IT 活性层薄膜中添加热塑性弹性体材料（聚氨酯， PU ）来共同提升柔性器件的力学性能与光伏性能，相关成果发表于 Advanced Materials 期刊。多纤维网络结构的构建和薄膜残余应力的降低有助于载流子传输性能的提升和缺陷态密度的降低。最终在有效面积为 0.102 cm ² 的柔性器件上实现了 19.40% 的 PCE ，第三方认证 PCE 达到 19.07% ，为目前柔性 OSC s 的最高 PCE 。为进一步验证该策略在大面积组件应用方面的潜力，制备了基于 25 cm ² 的柔性和超柔性模组，其 PCE 分别为 15.48% 和 14.61% ，并进行了示范应用。

2024年12月10日，相关成果以“ Synergistic Multimodal Energy Dissipation Enhances Certified Efficiency of Flexible Organic Photovoltaics Beyond 19%” 为题发表在《 Advanced Materials 》上。论文的第一作者为南昌大学化学化工学院博士生 李豪杰 ，通讯作者为南昌大学 陈义旺 教授和 胡笑添 教授。

首先，为了探究弹性体材料在给体和受体材料中的互容性，计算了不同弹性体材料相对于供体 / 受体材料的表面能变化，并通过计算 Flory-Huggins 相互作用参数（ χ ）及混相度参数，比较弹性体材料在给体材料和受体材料中的混相差异。其中，混相度参数越小，弹性体材料在给体材料中的混相性越好。在传统器件结构 PI/ITO/PEDOT:PSS/ 活性层 /PNDIT-F3N/Ag 的基础上，研究了不同弹性体的掺入对柔性太阳电池光伏性能的影响。当弹性体材料为聚氨酯（ PU ）时，柔性器件 PCE 最高，为 19.40% 。为了进一步验证结果的真实性，华南国家计量中心对添加 PU 的柔性器件进行了第三方效率认证， PCE 高达 19.07% ，是柔性 OSCs 领域最高的 PCE 。

图 1 柔性器件的材料特性及光伏特性表征。（ a ）活性层材料的化学结构。（ b ）不同弹性体材料在活性层膜中的混相以及加入后柔性器件的最佳 PCE 。（ c ）华南计量中心基于 0.102 cm ² 柔性器件的 J-V 特性曲线。（ d ）本研究中柔性器件认证 PCE 与 2020 年至 2024 年间报告文献的对比。基于 25cm ² 。（ e ）柔性衬底和（ f ）可贴附式衬底模组的 J-V 特性曲线。（ g ）模组 PCE 随 MPP 跟踪试验时间。（ h ）模组示范应用的数码照片。

良好的柔韧性与延展性是可贴附式 OSCs 的基本要求。使用峰值力定量纳米力学测试（ PF-QNM ），原子力显微镜（ AFM ）衍生的纳米压痕测试，薄膜 - 弹性体（ film- to -elastomer ， FOE ）法以及水膜拉伸法（ FOW ）系统研究了共混膜的力学性能随 PU 含量的变化规律发现：随着 PU 质量分数的增加，共混膜的断裂应变和韧性逐渐增大，弹性模量逐渐降低，拉伸性能显著提高。

图 2 聚氨酯对活性层膜力学性能的改善。（ a ）纳米压痕试验后不同薄膜的高度图像。（ b ） PF-QNM 法得到不同 PU 含量的活性层膜的 DMT 模量。（ c ）不同 PU 含量的活性层膜在 40% 应变下的 OM 图像。（ d ）不同 PU 含量下活性层膜的应力 - 应变曲线。（ e ）不同 PU 含量活性层膜在弯折条件下的有限元模拟。

图 3 多光纤网络结构对载流子传输特性的增强作用。不同 PU 含量活性层膜 AFM 的（ a ）高度图，（ b ）相图和（ c ）透射电镜图。（ d-f ）不同 PU 含量器件的电子和空穴迁移率。

图 4 薄膜中残余应力的下降有助于缺陷态密度的降低。（ a ）不同 PU 含量的活性层膜的 GIWAXS 二维图。（ b ）不同 PU 含量的活性层膜在相同弯曲次数下的 XRD 特征峰移图。（ c ）器件的阱态密度（ tDOS ）。（ d ）机械性能和光电性能共同提升的机理示意图。

根据对活性层薄膜性能的分析，热塑性弹性体的增韧增效机理如图 4d 所示。在 微观层面上 ， PU 的加入有利于在活性层膜内构建多纤维网络结构，增强载流子输运性能，从而提高光伏性能。此外，当薄膜受到应变时，这种多纤维网络有助于有效耗散和传递能量，防止应力集中。 在介观层面上 ， PU 在给体 / 受体界面处起到 “ 分子弹簧 ” 的作用，增强了给体 / 受体之间的相互连接，使膜裂缝的扩展最小化，并耗散了界面处应变产生的能量。 从宏观上看 ， PU 的加入降低了活性层薄膜中的残余应力，提高了薄膜的力学性能，同时降低了缺陷态密度和载流子复合。简而言之， PU 的加入有助于构建光纤网络结构，降低残余应力，从而改善载流子输运性能和多模态能量耗散。这种协同效应最终提高了柔性器件的光伏和机械性能。

上述研究工作得到国家自然科学基金、江西省 “双千计划”科技创新高端人才项目，以及北京大学长三角光电科学研究院等单位的支持。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202411989