本征可拉伸有机太阳能电池（IS-OSCs）具有机械灵活性、溶液可加工性和可大规模生产等优越特性，因而是极具前景的下一代可穿戴电源。然而，实现IS-OSCs是具有挑战性的，因为其需要所有组成部分（例如衬底、电极、活性层和传输层材料）在不同方向上均可拉伸。为此，已经报道了多种策略用来提高IS-OSCs的机械变形能力，包括器件工程、物理共混以及化学改性等。当前，研究者面临的最大挑战在于开发兼具高电学性能和高力学性能的活性层。虽然可拉伸给体材料的研究已取得显著进展，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，因此难以满足拉伸需求。将小分子受体聚合化能改善其机械性能，但其可拉伸性仍然有限。尽管引入非共轭单元可以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。二聚化受体的出现有望打破这一僵局。已报道的二聚化受体种类繁多，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化受体的机械性能，有利于制备柔性或弹性电池器件。
近日，南方科技大学何凤教授课题组合成了新型的非共轭连接的齐聚物受体，包括HDY-m-TAT、 FDY-m-TAT、HDY-o-TAT和 FDY-o-TAT。通过连接位点和卤素取代等调控手段，改善了齐聚物受体的电子结构、聚集行为以及电荷传输特性。得益于分子结构的优化，基于齐聚物受体的共混膜表现出合理的相分离结构，显著促进激子解离和有效抑制电荷复合过程。因此，最终基于齐聚物受体的刚性器件实现了超过18% 的光电转化效率。作者进一步研究了齐聚物受体的机械拉伸性能，发现其显著优于小分子受体材料。薄膜拉伸实验表明PM6:FDY-m-TAT的断裂应变为18.23%，高于PM6:Y6（8.50%）。另外，基于PM6:FDY-m-TAT的IS-OSCs的器件效率为14.29%，高于PM6:Y6的IS-OSCs（12.80%）。接着对器件进行拉伸测试，发现基于PM6:FDY-m-TAT的IS-OSCs表现出更佳的拉伸稳定性。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有效策略。
图1. 非共轭连接的齐聚物受体可用于实现高效可拉伸有机光伏电池
虽然使用非共轭连接能够改善齐聚物受体的机械拉伸性能，但是非共轭连接会破坏分子骨架平面性和堆积有序性，因此这类受体材料通常表现出较低的器件效率。不同于常规的"端基-端基"连接方式，本研究选择采用新型的"中心-中心"连接方式。简而言之，以噻吩-烷基-噻吩作为非共轭单元，通过改变连接位点和卤素取代，成功合成了四种齐聚物受体，包括HDY-m-TAT、 FDY-m-TAT、HDY-o-TAT和 FDY-o-TAT。
图2. 非共轭连接的齐聚物受体的设计与合成
为了研究连接位点和卤素取代对受体材料的结构和性能的影响，作者将这四种齐聚物受体分别与聚合物给体PM6共混，进而制备刚性太阳能电池器件。结果发现，PM6:FDY-m-TAT和PM6:FDY-o-TAT的器件效率分别为18.07%和16.91%，明显高于PM6:HDY-m-TAT (14.42%)和PM6:HDY-o-TAT (15.23%)。这是因为引入氟原子提高了分子骨架平面性和堆积有序性，进而产生更高的载流子迁移率，器件上表现为更高的短路电流密度和填充因子。值得注意的是，18%的效率是已报道的具有非共轭连接的受体材料中的最高值之一。
图3. 非共轭连接的齐聚物受体的光电性能研究
作者进一步系统研究齐聚物受体FDY-m-TAT的机械拉伸性能，同时选用小分子受体Y6作为对照材料。伪自由拉伸测试实验结果证明，相比于共混膜PM6:Y6，共混膜PM6:FDY-m-TAT具有更高的拉伸性和韧性。主要表现为：薄膜的开裂应变从8.50%（PM6:Y6）提升到18.23%（PM6:FDY-m-TAT），韧性从2.55 MJ m–3（PM6:Y6）提升到6.02 MJ m–3（PM6:FDY-m-TAT）。此外，作者制备了本征可拉伸有机太阳能电池器件，基于PM6:FDY-m-TAT的IS-OSCs的初始PCE为14.29%，明显优于PM6: Y6的IS-OSCs（12.80%）。对器件进行拉伸测试实验，发现基于PM6:FDY-m-TAT的IS-OSCs在保持80%的初始PCE时的拉伸应变为20%，而基于PM6: Y6的IS-OSCs仅为10%。
图4. 非共轭连接的齐聚物受体的机械拉伸性能研究
以上成果发表于国际化学旗舰期刊Angewandte Chemie International Edition 上。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，通讯作者为南方科技大学何凤教授和华中科技大学邵明教授。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Dimerized Acceptors with Conjugate-Break Linker Enable Highly Efficient and Mechanically Robust Organic Solar Cells
Yafei Ding, Waqar Ali Memon, Di Zhang, Yiwu Zhu, Shilong Xiong, Zhi Wang, Junfeng Liu, Heng Li, Hanjian Lai, Ming Shao,* and Feng He*
Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202403139
导师介绍
何凤
https://www.x-mol.com/university/faculty/167552
