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南科大何鳳教授、華科大邵明教授 Angew:新型柔性連接電子受體助力高性能可拉伸有機太陽能電池
2025-03-13  來源:高分子科技

  本征可拉伸有機太陽能電池(IS-OSCs)因其輕質、超柔性、拉伸性、可大面積制備等優勢,在下一代可穿戴能源技術領域中展現出無與倫比的應用潛力。盡管近年來IS-OSCs在光電轉化效率和機械可拉伸性方面取得了顯著進展,但仍難以滿足實際應用需求。當前,實現高性能IS-OSCs的最大挑戰之一是制備兼具良好電學和力學性能的光活性層。雖然小分子受體的快速發展將剛性OSCs的光電轉換效率推到20%以上,但這類受體普遍較脆,致使光活性層斷裂應變較低(<10%)。因此,亟需提出有效的策略對電子受體的分子結構進行設計和改造,進而協同提升IS-OSCs的器件效率和機械強度。


  近期,南方科技大學何鳳教授團隊與華中科技大學邵明教授團隊提出創新的分子設計策略,成功開發出一種新型柔性連接電子受體材料,該材料是該團隊對前期報道的電子受體分子結構的進一步優化(Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202403139)。這種新型受體材料顯著提升了有機太陽能電池的光電轉換效率和機械拉伸性能,為下一代便攜式電子和可穿戴設備的能源供應提供了新的解決方案。該工作以“High-Performance Intrinsically-Stretchable Organic Solar Cells Enabled by Electron Acceptors with Flexible Linkers”為題發表在《Angewandte Chemie International Edition》上(Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202421430)。文章第一作者是南方科技大學博士后丁亞飛,共同第一作者為南方科技大學碩士研究生熊世龍


圖1 新型柔性連接電子受體的巧妙設計與精準合成


  創新分子設計:首先,該團隊通過擴展共軛骨架和延長烷基側鏈等手段,設計合成了一種新型二聚體DY-FBrL,有效改善了受體材料的電荷傳輸特性和機械力學性能。因此,基于DY-FBrL的剛性OSCs實現了18.75%的光電轉換效率(PCE),同時其共混膜的裂紋起始應變(COS)達到18.54%。在此基礎上,利用Stille偶聯反應,將二聚體DY-FBrL進一步聚合化,成功制備了聚合物受體PDY-FL。雖然聚合導致PDY-FL的器件效率略有下降(PCE = 14.13%),但是其機械性能顯著提高(COS = 23.45%),使其成為目前報道的柔性連接的聚合物受體中PCE和COS最高的材料之一。


圖2 剛性有機太陽能電池的器件性能表征


  器件性能突破:為了驗證這些新型柔性連接電子受體在可穿戴器件中的應用潛力,研究團隊分別制備了基于DY-FBrL和PDY-FL的可拉伸器件。結果顯示,基于DY-FBrL和PDY-FL的IS-OSCs的初始PCEs分別為14.31%和11.61%,同時其可拉伸性顯著優于基于小分子受體的IS-OSCs。具體而言,Y6基器件的80%PCE保留率對應拉伸應變為11%,而基于DY-FBrL和PDY-FL的器件分別提升至23%和31%,展現了卓越的機械拉伸性能。


圖3 可拉伸有機太陽能電池的光伏性能和機械性能研究


  上述研究強調了化學手段在調控電子受體的結構和性能中的重要作用,為開發高性能本征可拉伸有機太陽能電池提供了新的有效方案。隨著柔性電子技術的不斷發展,這類新興有機光伏器件有望在人體健康監測、智能穿戴、人機交互等領域發揮重要作用。該項目得到國家自然科學基金的資助,在此表示感謝。


  論文鏈接

  Yafei Ding, Shilong Xiong, Waqar Ali Memon, Di Zhang, Zhi Wang, Mingpeng Li, Zihao Deng, Heng Li, Ming Shao,* and Feng He*. High-Performance Intrinsically-Stretchable Organic Solar Cells Enabled by Electron Acceptors with Flexible Linkers. Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202421430.     DOI:10.1002/anie.202421430.

  https://doi.org/10.1002/anie.202421430

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