何凤教授、邵明教授，Angew.：基于齐聚物受体的高效可拉伸有机光伏电池

第一作者：丁亚飞，Waqar Ali Memon，张迪

通讯作者：何凤*，邵明*

单位：南方科技大学，华中科技大学

本征可拉伸有机太阳能电池（IS-OSCs）被认为是可穿戴电子器件的可行电源，因而近年来受到研究者的广泛关注。当前，可拉伸活性层的开发是实现高性能IS-OSCs的最大挑战之一。虽然可拉伸聚合物给体的研究已经取得显著进展，但可拉伸受体材料的发展却远远落后。高性能小分子受体通常较脆，因而难以满足实际的拉伸需求。将小分子受体聚合化能改善其力学性能，但其可拉伸性仍然有限。尽管引入非共轭单元能够进一步提高聚合小分子受体的机械变形性，但其器件效率明显降低。二聚受体的出现有望打破这一僵局。已报道的二聚受体种类繁多，根据其连接方式可分为稠环连接、刚性连接以及柔性连接。相比与稠环和刚性连接，柔性连接最大的特点是可以改善二聚受体的机械性能。一些研究通过使用非共轭连接来制备二聚受体，能够提高受体材料的本征柔性，有利于制备柔性太阳能电池。但是，这类二聚受体均采用"端基-端基"构象，引入非共轭连接不利于分子的有序堆积排列，因而总体表现出较低的器件效率。鉴于此，如果采用"中心-中心"构象，非共轭连接将不会对二聚受体的电子结构和聚集结构产生不利影响，从而克服高光电转化效率和优异机械拉伸性之间的权衡问题。

南方科技大学何凤教授与华中科技大学邵明教授合作，在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition上发表题为“Dimerized Acceptors with Conjugate-Break Linker Enable Highly Efficient and Mechanically Robust Organic Solar Cells”的研究论文。该论文采用"中心-中心"构象，通过调节连接位点和卤素取代，制备了四种非共轭连接的齐聚物受体。作者发现连接位点和卤素取代的调控可以有效改善分子堆积、薄膜形貌以及电荷传输特性，最终刚性器件实现了超过18% 的光电转化效率。重要的是，与基于 PM6:Y6 的对照组相比，基于 PM6:FDY-m-TAT 的IS-OSCs在器件效率（PCE =14.29%）和可拉伸性（COS =18.23%）方面都有显著提高。这一发现为实现高效可拉伸有机光伏电池提供了一种新的设计思路和策略。

不同于常规的"端基-端基"构象，本研究选择采用新型的"中心-中心"构象，希望能实现器件效率和机械性能的同步提升。具体是：以噻吩-烷基-噻吩（TAT）作为非共轭连接单元，通过调控连接位点和卤素取代，成功制备了四种齐聚物受体，包括HDY-m-TAT、 FDY-m-TAT、 HDY-o-TAT和 FDY-o-TAT。

作者将这四种齐聚物受体分别与聚合物给体PM6共混，制备了刚性太阳能电池器件。结果显示，PM6:HDY-m-TAT和PM6:HDY-o-TAT的器件效率分别为14.42%和15.23%。作者发现当在中心单元引入氟原子以后，器件光伏性能得到了显著提高。PM6:FDY-m-TAT和PM6:FDY-o-TAT的器件效率分别达到18.07%和16.91%。这些研究表明，通过微调齐聚物受体的连接位点和卤素取代，可有效提高太阳能电池的光电转化效率。

为了系统研究齐聚物受体的机械拉伸性能，作者选用小分子受体Y6作为对照材料。利用伪自由拉伸测试表征共混膜的力学性能，结果表明共混膜PM6:FDY-m-TAT具有更佳的拉伸性和韧性。薄膜的裂纹起始应变从8.50%（PM6:Y6）提升到18.23%（PM6:FDY-m-TAT），而韧性从2.55 MJ m^–3（PM6:Y6）提升到6.02 MJ m^–3（PM6:FDY-m-TAT）。作者进一步制备了本征可拉伸有机太阳电池器件，发现基于PM6:FDY-m-TAT的IS-OSCs取得了14.29%的初始PCE，明显优于PM6:Y6的IS-OSCs（12.80%）。此外，基于PM6:FDY-m-TAT的IS-OSCs在保持80%的初始PCE时的应变为20%，而基于PM6: Y6的IS-OSCs仅为10%。

Dimerized Acceptors with Conjugate-Break Linker Enable Highly Efficient and Mechanically Robust Organic Solar Cells

何凤教授简介：何凤博士现为南方科技大学化学系教授，课题组长，国家杰出青年基金获得者。于2002年和2007年毕业于吉林大学并获学士和博士学位，师从马於光院士；其后先后加入加拿大多伦多大学Mitchell A. Winnik教授、英国布里斯托尔大学Ian Manners教授和美国芝加哥大学Luping Yu教授研究团队从事博士后研究；2012年起，作为高级研究员先后加入美国Nano-C, Inc.公司和Polyera Corp.公司进行研发工作。2014年加入南方科技大学开展教学和研究工作，主要围绕有机功能材料分子间非共价相互作用调控开展研究，并在有机光伏材料和聚合物自组装微纳材料等方向拓展其应用，至今在Joule、J. Am. Chem. Soc.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、以及Angew. Chem. Int. Edit.等国际顶尖专业杂志上已发表论文超过180篇，并授权多项美国和中国发明专利。曾入选国家级人才（青年）项目，2019年获得中国化学会氯元素代言青年科学家。担任《Journal of Energy Chemistry》、《Next Energy》和《Chinese Chemical Letters》期刊编委及《高等学校化学学报》青年执行编委。

邵明教授简介：2003年在华中科技大学光电子工程系获得学士学位，2011年在美国田纳西大学材料科学工程系获得博士学位，之后在美国能源部橡树岭国家实验室从事博士后研究，2013年加入美国Polyera Corp公司，作为高级研究员从事高效率太阳能电池和柔性电子的开发。具有丰富的学术和产业界的工作经验。主要从事有机光电子材料与器件，有机自旋电子，柔性和可拉伸电子器件的研究。迄今在Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater.，Physical Review Letters 等国际著名学术期刊发表文章60余篇。

该工作的第一作者为南方科技大学博士后丁亚飞，共同第一制作者为南方科技大学博士后Waqar Ali Memon和华中科技大学博士张迪。