包西昌研究员、孙明亮教授， 杨春明副研究员，CEJ：定向设计芴基聚氨酯促进有机太阳能电池柔性和光伏性能提升

第一作者：康笑

通讯作者：包西昌*，孙明亮*，杨春明*

单位：中国科学院青岛生物能源与过程研究所，中国海洋大学

有机太阳能电池(OSCs)具有重量轻、光谱可调、易加工等优点，在可穿戴和便携式电子产品中有巨大应用潜力。但由于非富勒烯小分子受体是一类脆性材料，其结晶度强，薄膜拉伸性能差，很难满足可拉伸电子器件的要求。为了优化活性层的形貌和力学性能，满足效率和柔韧性的需要，在活性层中引入高粘度的适宜绝缘聚合物是提高器件柔性的一种简单高效的策略。

通过引入一些传统的商用绝缘聚合物如PS、PP、SEBS虽可以改善有机太阳能电池的光伏或机械性能，但对绝缘聚合物改善器件性能的机理研究很少。尽管在有机半导体材料中引入特定绝缘聚合物不影响电荷转移（与隧穿效应有关），但是对活性层的形貌有显著影响进而影响光伏性能。因此，如何在引入绝缘材料后，实现器件柔性提升和形貌优化显得至关重要。

近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所包西昌研究员与中国海洋大学孙明亮教授合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Fluorenyl-based polyurethane efficiently improves the flexibility and photovoltaic performance of organic solar cells”的观点文章。该文章设计合成了一类弹性芴基聚氨酯聚合物K-BA20(50)来探索芴基组块的作用，通过构建分子间氢键实现了各组分之间的粘附。研究发现，以PM6:Y6系统为对照，在活性层中引入K-BA20(50)可同时提高器件性能和柔性。

本文以PM6:Y6体系作为参照物，在活性层中引入K-BA20(50)实现了器件光伏性能的提升。例如，PM6:Y6:5 wt% K-BA20的短路电流密度(J_SC)为26.71 mA cm^-2，功率转换效率为16.67%，高于PM6:Y6标准器件(J_SC：25.17 mA cm^-2, PCE：15.87%)。研究发现，器件性能的提升得益于两个方面:1、芴基聚氨酯能均匀分散于活性层中，增强了各组分之间的结晶和相互作用（图2所示），提高了共混膜的消光系数；2、引入含有DPF模块的绝缘材料可以诱导活性层的介电性能和内建电位的增强。

设计合成了一种含有PDMS和二维芳基嵌段DPF的聚氨酯绝缘材料K-BA20(50)。选择异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)作为连接单元，通过引入氢键减少由于过多一维结构引起的链间滑移。该策略有效增强了组分之间的粘附性，实现了器件柔性的提升。有趣的是，引入低比例DPF的K-BA20的活性层具有良好的拉伸性能，而含有高比例DPF的K-BA50的活性层具有更稳定的柔韧性（图3所示）。掺入15 wt% K-BA20后，共混膜的断裂伸长率从5.81%提高到18.46%，提高了3.2倍;掺入5 wt% K-BA50后的PM6: Y6基柔性器件经过600次弯折后仍能保持初始效率的一半。

柔性光伏器件变形损坏的主要原因是拉伸或弯折导致层活性与界面层之间产生间隙，破坏层间电荷传输。聚氨酯的加入有效改善柔性器件的拉伸和弯折性能：一方面利用聚氨酯的弹性，在活性层中优先自聚集形成绝缘基体，当受到弯曲或拉伸应力时，可以替代供体和受体材料承受更大的应力；另一方面聚氨酯的加入可以促进给体与受体材料之间的填充，提高薄膜的整体力学性能。此外，引入聚氨酯中大量的氢键能显著增强活性层的附着力和层间相互作用，还可有效提高柔性器件的稳定性。

本文系统研究了含有2D芳基嵌段DPF的新型绝缘聚氨酯在光伏器件中的应用。通过利用氢键实现链缠结并提高了材料的粘附力，既保持了材料的光伏性能和力学性能，又验证了DPF在绝缘树脂中的关键作用。结果表明，在D-A共混膜中掺杂芴基聚氨酯可以在电荷重组、结晶度和材料相互作用方面带来一系列积极影响，有效改善器件的光伏性能和力学性能，可在未来柔性和可穿戴器件开发中发挥积极作用。

“Fluorenyl-based polyurethane efficiently improves the flexibility and photovoltaic performance of organic solar cells”

包西昌 研究员简介：博士，研究员，博士生导师。2010年于中科院上海技物所获得博士学位。同年加入中科院青岛生物能源与过程研究所。近年来致力于光电材料与器件、功能复合电极材料、光伏组件及应用等方面研究，并取得了多项原创性研究成果。迄今已在Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Innovation, Adv. Energy Mater., ACS Energy Lett.、Adv. Funct. Mater.等期刊上发表文章150余篇，并授权中国发明专利10余项。多次荣获优秀导师称号，指导的研究生获得中科院院长奖、山东省优秀毕业生、国家奖学金等荣誉。

孙明亮 教授简介：博士、教授、博士生导师，入选“教育部新世纪优秀人才”和“香江学者”，“科技部重点领域创新团队”核心成员；国家科学技术奖励评审专家、国家重点研发计划项目函评及会评专家、国家自然科学基金函评专家。2008年于华南理工大学硕博连读并获博士学位，2007-2008 年加州大学洛杉矶分校材料学专业，联合培养博士；2013 -2014 香港城市大学“香江学者计划”博士后研究员；2008至今在中国海洋大学材料科学与工程学院任教授、博导，主要研究方向为共轭有机半导体小分子和聚合物材料合成，及其在太阳能电池、发光二极管、电化学发光池、场效应管、可穿戴柔性光电器件中的应用，海洋防污防腐材料。近年来在Adv. Mater., Small, Macromolecules等国内外期刊发表SCI收录论文140余篇。

杨春明 副研究员简介：博士，副研究员，硕士生导师。2010年于Kwansei Gakuin University获得博士学位；2010-12~2012-03在Kwansei Gakuin University,博士后；2012~2018,中国科学院上海应用物理研究所, 副研究员；2018至今, 中国科学院上海高等研究院, 副研究员。主要从事掠入射X射线散射、有机太阳能电池构效关系研究和关键尺寸小角X射线散射等方向的研究。迄今已在Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater.等期刊上发表文章50余篇，并授权中国发明专利5项。

康笑，在读博士生。2017年本科毕业于河北科技大学，2017-2020年在河北科技大学读研，同时为中科院青岛能源所联合培养硕士。2020年至今为中国海洋大学博士在读博士，同时为中科院青岛能源所联合培养博士。主要y研究方向为新型有机太阳能电池材料设计开发与器件工艺研究。

作者所在的先进功能材料与器件研究组成立于2009年4月，隶属于中国科学院青岛生物能源与过程研究所-太阳能研究室。成员学科背景分布于材料学（化学）、工程、理论计算、生物等领域，多学科交叉开展新型光伏关键技术与智慧应用研究与推广。研究组既注重基础科学创新，同时也大力发展科研成果的技术应用，十余年来，秉承敢于创新、锐意进取的精神，已在领域内取得系列显示度成果。

本研究组隶属于中科院青能所/山东能源研究院-太阳能功能实验室（主任褚君浩院士）。研究组致力于新型光电材料与器件（光伏电池、光电探测器）、导电浆料、光伏组件及智慧能源系统的前沿和产业化应用研究。现因发展需要，招聘研究员、副研究员、博士后、科研助理等各类人才。

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