摘要：华中科技大学邵明教授，美国佐治亚理工学院Antonio Facchetti教授和Seung Soon Jang教授和汕头大学武庆贺教授等人报道了一种小分子受体（SMA），也称为非富勒烯受体（NFA），它被设计用于具有较大机械顺应性和性能的可拉伸有机太阳能电池（
华中科技大学邵明教授，美国佐治亚理工学院Antonio Facchetti教授和Seung Soon Jang教授和汕头大学武庆贺教授等人报道了一种小分子受体（SMA），也称为非富勒烯受体（NFA），它被设计用于具有较大机械顺应性和性能的可拉伸有机太阳能电池（s-OSC）混合物。通过将有机硅烷功能化的SMA BTP-Si4与聚合物给体PNTB6-Cl混合，实现了超过16%的光电转换效率（PCE）和超过95%的极限应变（εu）。典型的SMA会抑制OSC混合物的延展性，但BTP-Si4的加入则增强了延展性。尽管BTP-Si4的结晶性不如其他SMA，但它仍保持了相当的电子迁移率，并且与PNTB6-Cl高度相容，这对于增强εu至关重要。因此，本文展示了PCE超过14%的s-OSC，并在各种变形下正常工作（在80%应变下PCE保持率超过80%）。对几种SMA-聚合物混合物的分析揭示了设计延展性混合物的一般分子结构-相容性-可拉伸性关系。
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研究背景
可穿戴光电子设备（e-wearables），包括可在机械变形下正常工作的可拉伸晶体管、显示器和传感器，受到广泛关注。然而，为这些设备提供动力的部件占据了较大的物理空间，限制了设备的整体贴合性和坚固性。有机太阳能电池（OSCs）因其机械灵活性和可拉伸性、轻质以及溶液可加工性，成为e-wearables的理想电源。目前，基于玻璃的刚性OSCs已实现了超过20%的光电转换效率（PCE），但可拉伸OSCs（s-OSCs）需要适应比弯曲更大的变形（应变ε>30%），相关报道却很少。
开发具有延展性的有机光活性混合物仍面临诸多挑战。聚合物给体具有π-共轭主链和强分子间π-π相互作用，有助于促进光吸收或空穴传输以及结晶性，但会抑制延展性。体异质结（BHJ）光活性层由给体和受体组成，给体和受体之间的相互作用也决定了薄膜的性质。然而，所有现有的小分子受体（SMAs），包括富勒烯、非富勒烯受体和聚合物化SMA（P-SMAs），都是脆性的（极限应变εu
为了增加混合物的极限应变εu值，研究者们引入了各种绝缘材料（如聚二甲基硅氧烷（PDMS）和苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯（SEBS））以及延展性半导体聚合物作为第三组分。尽管光活性材料的设计历来强调提高PCE，但近期研究重点已扩展到增强机械性能。遗憾的是，迄今为止，高性能混合物的最大可拉伸性仍低于33%。除了缺乏固有的可拉伸光活性混合物外，当前s-OSCs的效率也远远落后于刚性和可弯曲设备。尽管取得了开创性进展，但同时实现高效（PCE>10%）和机械可拉伸（εu>30%）的s-OSCs仍然是一个未解决的挑战。
主要内容
本文报道了一种新的有机硅烷功能化的SMA（BTP-Si4）与延展性聚合物给体（PNTB6-Cl）混合用于可拉伸混合膜和太阳能电池。值得注意的是，通过比较传统（如Y6类）和新型（BTP-Si4类）SMA家族，为理解光活性材料分子结构、给体-受体相容性、可实现的机械性能以及在变形下的性能之间的相互作用提供了新的见解。作者首先比较了BTP-Si4和Y6混合物与延展性聚合物给体PNTB6-Cl的性质。BTP-Si4具有与Y6相同的共轭核心-IDC端基，但通过N-功能化的(4-丁基)二庚基(甲基)硅基取代基进行修饰。BTP-Si4的单晶结构显示形成了三种堆积类型，这是高效率小分子受体（SMA）的典型特征。然而，由于其延长且体积较大的N-侧链，BTP-Si4表现出比Y6更大的核心-核心π-π堆积距离（3.57 Å，类型III），从而抑制了过度聚集。BTP-Si4侧链的分支和延伸与硅烷的结合，平衡了SMA的聚集和三维（3D）电荷传输，同时优化了与给体聚合物的相容性，以同时增强延展性和器件效率。
图1：光活性材料的分子结构和光伏响应。
图2：力学性能和形态性能。
图3：可拉伸的OSC特性。
图4：共混薄膜的极限应变增强机理。
图5：分子结构、混溶性、表观活化能与最终应变的关系。
总的来说，本文已经展示了使用可拉伸的PNTB6-Cl给体和BTP-Si4受体制造高度可变形有机太阳能电池（OSCs）的可行性。BTP-Si4的设计特点在于其在小分子受体（SMA）中引入了硅（Si）分支点，这种设计抑制了混合物中过度结晶，并促进了与给体相的相容性。因此，BTP-Si4和PNTB6-Cl:BTP-Si4混合物的表现与已报道的先例截然不同，实现了95.5%的可拉伸性。同样值得注意的是，这种可拉伸的OSCs（s-OSCs）展现出14.6%的光电转换效率（PCE），并且具有出色的机械稳定性，即使在80%的大拉伸应变下，这些电池仍能保持初始PCE的82%。这些结果表明，合理的受体分子设计、经过优化的小分子受体（SMA）选择以及最佳的给体-受体相容性对于实现高效率和机械稳健的OSCs至关重要。
文献信息
Zhenye Wang†, Di Zhang†, Lvpeng Yang†, Omar Allam, Yerun Gao, Yang Su, Meichen Xu, Songmin Mo, Qinghe Wu*, Zhi Wang, Junfeng Liu, Jiayi He, Rui Li, Xingwang Jia, Zhilin Li,
Long Yang, Mark D. Weber , Yu Yu, Xinliang Zhang, Tobin J. Marks, Natalie Stingelin,
Josh Kacher, Seung Soon Jang*, Antonio Facchetti*, Ming Shao*, Mechanically robust and stretchable organic solar cells plasticized by small-molecule acceptors, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp9709
来源：华算科技
