天津大学连发AMAEMAFM：在本征可拉伸光伏薄膜研究中取得系列进展

  有机光伏电池质量轻、成本低以及可柔性化的特点赋予其在柔性可拉伸电子领域广阔的应用前景。得益于新型受体材料的高速开发，当前有机光伏电池的能量转换效率已经突破了19%。然而，高性能小分子受体材料固有的力学脆性导致有机光伏活性层共混薄膜的断裂应变大都低于10%，难以满足可拉伸穿戴应用的需求。因此，建立本征可拉伸光伏薄膜结构与性能的调控方法和指导规律对有机光伏电池的逐步发展至关重要。未解决这一挑战，天津大学材料学院有机光电材料团队的叶龙教授从高分子物理原理出发，围绕本征可拉伸有机光伏薄膜的凝聚态结构调控、拉伸结构演变、可拉伸器件构筑及循环拉伸性能开展研究，取得了系列进展

  聚合物物理共混是实现高分子材料高性能化、精细化、功能化和发展新品种的重要方法。针对高效率有机光伏活性层薄膜拉伸性能差的问题，他们从物理共混的角度提出了一种简单且低成本的策略——在光伏共混体系中引入成本低廉的热塑性弹性体作为增韧剂，构建了本征可拉伸有机光伏薄膜（图1）。通过细致优化共混体系中弹性体组分的含量，实现了断裂应变50%且光伏效率10%的本征可拉伸光伏薄膜，这是大应变拉伸条件下的效率纪录。借助先进的中子散射和X 射线散射技术，进一步建立了该类本征可拉伸有机光伏薄膜的凝聚态结构与机械性能/稳定性的关系。当弹性体增韧剂组分在活性层中占主导时，光伏共混薄膜在循环拉伸条件下，可实现高达1000%的断裂应变。同时，作者提出了一个新参数 y，以全面评估有机光伏共混薄膜的光伏效率-成本-拉伸性能。这项工作为构筑本征可拉伸光伏薄膜和评估其综合性能提供了参考，相关研究成果以“Achieving Record-high Stretchability and Mechanical Stability in Organic Photovoltaic Blends with A Dilute-absorber Strategy”为题发表在Advanced Materials2024, DOI: 10.1002/adma.202307278。

  有机光伏共混薄膜在拉伸应变下的结构稳定性对器件的机械稳定性具备极其重大影响。为了进一步研究可拉伸光伏薄膜的凝聚态结构与拉伸性能之间的相关性，以及拉伸引起的微观结构演变，他们结合同步辐射掠入射X射线散射和原位广角X射线散射方法，详细对比了含有低、中、高含量弹性体增韧剂的三类本征可拉伸有机光伏薄膜（Ternary I, Ternary II, Ternary III）及其在拉伸过程中的微观结构变化。基于原位广角 X 射线散射实验，进一步监测了本征可拉伸有机光伏薄膜的拉伸诱导结构演变。研究表明，弹性体增韧剂能有效地降低共混薄膜的结晶度，并耗散拉伸应力，来提升本征可拉伸有机光伏薄膜的微结构耐久性。此外，他们还发现共混体系的弹性模量随弹性体增韧剂含量的变化规律可用 Coran-Patel模型进行拟合和预测。该研究为优化可拉伸有机光伏薄膜在拉伸过程中的结构稳定性提供了新的认识，相关成果以“Unveiling the Strain-induced Microstructural Evolution and Morphology-Stretchability Correlations of Intrinsically Stretchable Organic Photovoltaic Films”为题发表在Advanced Energy Materials2024, DOI: 10.1002/aenm.202304286上。

  在提升可拉伸光伏器件的机械稳定性方面，他们也开展了积极探索。在高效率的聚合物:小分子共混体系和全聚合物共混体系中引入具有长支化烷基侧链的高分子量共轭聚合物作为增韧剂，它可与聚合物给体高度相容，并且对共混体系的电荷传输影响较小。通过调节增韧剂的含量来优化有机光伏薄膜的凝聚态结构，从而有效提升了光伏薄膜的循环拉伸性能（图3）。基于性能最优的本征可拉伸有机光伏薄膜制备了可拉伸光伏器件。器件在50.3%的拉伸应变下依然能保持在初始光伏效率的80%以上，并且在小曲率半径下循环弯曲2000次后依然保持优异的稳定性。更重要的是，本征可拉伸有机光伏电池在30%应变下经历1000次循环拉伸周期后，光伏效率依然保持在初始效率的80%以上。该工作展示了本征可拉伸有机光伏薄膜在构筑可拉伸光伏器件中的优势，相关研究成果以 “Intrinsically Stretchable Organic Photovoltaic Cells with Improved Mechanical Durability and Stability via Dual-Donor Polymer Blending” 为题发表在Advanced Functional Materials2024, DOI: 10.1002/adfm.202400702上。

  该系列研究在天津大学耿延候教授的全力支持下完成，获得了国家自然科学基金、天津市杰出青年科学基金、天津化学化工协同创新中心、天津大学北洋学者英才计划以及国家资助博士后人员计划的经费资助，以及北京同步辐射装置、上海同步辐射光源、中国散裂中子源的机时支持。研究工作还得到了南京工业大学李荪荪教授和中国科学院上海高等研究院杨春明副研究员的支持与帮助。李鑫博士、博士生李赛萌、彭忠祥对上述研究中做出了重要贡献，分别是上述论文的第一作者。此外，中国科学院高能物理研究所陈雨副研究员、何春勇副研究员、中国科学院上海高等研究院边风刚研究员、南京林业大学赵文超教授、闽江学院柯惠珍副教授等合作者对上述工作也做出了贡献。

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