华南理工应磊教授Angew：模块化聚合物给体分子设计调控非卤溶液预聚集和有机太阳电池可拉伸性能

第一作者：罗轩昂

通讯作者：钟文楷，应磊

单位：华南理工大学

在有机太阳能电池（OSC）领域，实现高效率与可持续加工兼具的活性层材料一直是核心科学问题。传统制备往往依赖氯仿、氯苯等卤代溶剂，虽能促进分子自组装与成膜有序化，却存在环境和健康隐患。近年来，非卤化溶剂（如邻二甲苯）被视为绿色替代方案，但其较弱的溶解能力与慢速蒸发速率常导致薄膜形貌无序、器件性能下降。根源在于：溶液态分子的聚集形态会直接决定固态的结晶方式与电荷输运通道，因此“如何在非卤化溶剂中调控聚合物的溶液聚集行为以获得理想的纤维状形貌”，成为制约绿色加工高性能OSC的关键挑战。面对这一问题，本研究以PTzBI聚合物为研究平台，通过模块化分子设计同时调节能级、链刚性与溶解性，为绿色加工提供了新的化学解决方案。

近日，来自华南理工大学的应磊教授与钟文楷副教授合作，在国际知名期刊Angew上发表题为“Modular Design of Polymer Donors Regulates Solution Aggregation and Stretchability of Organic Solar Cells”的观点文章。该文章报道了一种基于PTzBI聚合物骨架的模块化聚合物设计策略。研究团队通过引入三种结构模块——氟代BDT单元（调能级与共轭平面性）、氟代π桥（增强分子堆叠）、以及端接硅氧烷侧链（提升聚合物链柔性），合成了新型聚合物PTzBI-dF-Si。该分子在邻二甲苯无卤溶剂中展现出“溶解—自聚集”作用近乎平衡的特性，形成稳定的网络状预聚集结构，在成膜过程中进一步演化为有序的纤维状形貌。无卤溶剂加工的基于PTzBI-dF-Si与非富勒烯受体L8-BO的刚性器件实现了19.9%的功率转换效率（PCE），无卤溶剂加工的柔性器件表现出16%以上的PCE，并在40%拉伸应变下仍保持初始效率的80%以上，展示出优异的机械稳定性。该研究为实现可拉伸、规模化、绿色溶剂加工的高效OSC提供了新的分子工程思路。

研究以PTzBI为母体，通过模块化策略在化学结构上实现多维度调控。氟化BDT单元有效下调HOMO能级，提升开路电压；氟化π桥增强共轭主链的平面性与结晶性；硅氧烷侧链则显著改善了聚合物的溶解性与柔韧性。研究者利用相关性分析（Pearson correlation）量化了三种模块对能级、层间距与链柔性的贡献，揭示了各结构参数间的内在耦合关系。最终构建的PTzBI-dF-Si兼具深能级、强π–π堆叠及优良溶解性，成功突破了“有利堆积、溶液分散和拉伸性能难以兼顾”的长期瓶颈，为分子设计提供了可推广的模块化范式。

通过NOESY核磁、DFT计算与Flory-Huggins模型分析，研究系统揭示了PTzBI-dF-Si在非卤溶剂中的分子间相互作用机制。硅氧烷侧链与溶剂分子之间的较强相互作用显著降低了混合能，使聚合物处于溶解与自聚集的动态平衡状态。冻干场发射扫描电子显微镜和冷冻透射电镜（cryo-TEM）进一步观察到其在溶液中形成规则的多链纤维网络，与单独氟化主链的聚合物形成的无序团聚体或单独硅氧烷侧链单元修饰形成的孤立纤维分散截然不同。这种“平衡态预聚集”成为纤维化成膜的前提，使分子能够在旋涂过程中经历有序的干燥与重排，最终构筑出高度结晶、相纯度的纤维状网络。

通过引入柔性模块，PTzBI-dF-Si展现出约31%的断裂应变，显著优于传统刚性聚合物。基于该材料的可拉伸有机太阳能电池PCE达到16%以上，在40%拉伸下仍能保持超过80%的初始效率，兼具高效与耐形变特性。进一步，研究团队将该器件集成于弹性腕带，为蓝牙健康监测设备提供持续供能，将续航时间显著延长，展示了其在自供能可穿戴电子领域的实际潜力。该成果标志着绿色溶剂加工、结构可设计与功能可拓展在同一体系下的融合，为未来可持续柔性光电技术奠定了基础。

Modular Design of Polymer Donors Regulates Solution Aggregation and Stretchability of Organic Solar Cells

应磊，博士生导师，国家优青，广东省杰青，华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室研究员。长期致力于有机光电功能材料的开发及产业化关键技术的研究，自主发展了系列可应用于有机光伏、钙钛矿光伏及光电传感器等器件的高性能有机光电功能材料。共发表SCI论文190余篇，被引用超过10000次，获授权中国/美国发明专利80余件。其中以第一/通讯作者论文150余篇，包括Nature Photonics, Nature Energy, Nature Communications, Energy & Environmental Science, Journal of the American Chemical Society等国际顶级学术期刊。

钟文楷，华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室副教授，博士生导师。长期致力于利用与发展同步辐射X射线表征技术，解决有机光电材料关键科学问题与突破制约材料性能提升的瓶颈。近年主要聚焦利用与发展软X射线散射与谱学技术研究可拉伸有机光电的构效关系。共发表SCI论文100余篇，引用8000余次，H因子40。其中，以第一或通讯作者在Adv. Mater. 、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.等期刊发表学术论文30余篇。

罗轩昂博士，主要研究方向为光伏聚合物半导体材料聚集特性研究。以第一/共一作者在Angewandte Chemie、Energy & Environmental Science、Advanced Functional Materials、Macromolecules、Applied Physics Letters、Advanced Energy Materials、Small、Advanced Optical Materials等期刊发表论文十余篇。