特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創丨米測MeLab
編輯丨風云
研究背景
可穿戴光電設備（e-wearables）由可拉伸晶體管、顯示器和傳感器組成，能在機械變形下保持運行。然而，其供電組件占據較大物理空間，限制了設備的整體一致性和穩健性。有機太陽能電池（OSC）因其機械柔韌性、可拉伸性、重量輕和溶液可加工性，成為可穿戴設備的理想電源。
關鍵問題
然而，有機太陽能電池在可穿戴設備上的應用主要存在以下問題：
1、開發延展性有機光活性混合物仍然具有挑戰性
可拉伸有機太陽能電池（s-OSC）需要適應較大的變形（應變ε>30%），但目前大多數光活性材料都表現出脆性（極限應變εu<5%）。盡管通過添加三元組分可以提高混合物的延展性，但目前高性能共混物的最大可拉伸性仍低于33%。
2、可拉伸有機太陽能電池的效率和延展性難以兼顧
目前的s-OSC效率遠遠低于剛性和可彎曲設備，且在實現高效（PCE>10%）的同時，難以達到所需的機械可拉伸性能（εu>30%）。盡管已有研究嘗試通過材料設計提高光活性層的延展性，但目前尚未有報道能夠同時滿足高效和高延展性要求的s-OSC。
新思路
有鑒于此，華中科技大學邵明、汕頭大學武慶賀及美國佐治亞理工學院Seung Soon Jang、Antonio Facchetti等人報告了一種專為具有較大機械柔順性和性能的可拉伸有機太陽能電池（s-OSC）共混物而設計的小分子受體（SMA），也稱為非富勒烯受體（NFA）。有機硅烷官能化的SMA BTP-Si4與聚合物供體 PNTB6-Cl的共混物實現了>16%的功率轉換效率 (PCE)和>95%的極限應變 (eu)。典型的SMA會抑制OSC共混物的延展性，但添加BTP-Si4會增強延展性。雖然BTP-Si4的結晶性不如其他SMA，但它保留了相當大的電子遷移率，并且與PNTB6-Cl高度混溶，對于增強eu至關重要。因此，展示了PCE > 14% 且在各種變形下正常運行的 s-OSC（80%應變下的PCE保留率>80%）。對幾種 SMA-聚合物共混物的分析揭示了設計延性共混物的一般分子結構-混溶性-拉伸性關系。
技術方案：
1、比較了新型受體與傳統受體在延展性聚合物供體PNTB6-Cl中的性能
作者比較了新型小分子受體BTP-Si4與傳統受體Y6在延展性聚合物供體PNTB6-Cl中的性能，結果表明BTP-Si4實現了16.2%的PCE，略高于Y6。
2、研究了光活性材料和混合物的機械性能
力學性能測試顯示，BTP-Si4共混物的彈性模量和拉伸強度低于Y6共混物，但韌性是其9倍，表明其具有更高的機械穩健性。
3、分析了薄膜形貌和微觀結構并展示了其在s-OSC中的應用
GIWAXS和GISAXS分析表明，BTP-Si4薄膜的結晶度低于Y6，且共混物中BTP-Si4聚集受到抑制，顯著提升了機械性能。制造的s-OSC器件表現出優異的性能。
4、揭示了PNTB6-Cl:BTP-Si4共混物薄膜高延展性的原因
PNTB6-Cl:BTP-Si4共混物的高延展性源于PNTB6-Cl扭曲主鏈、BTP-Si4的N官能化和良好混溶性。
5、探討了分子結構、混溶性和延展性之間的關系
研究通過合成兩個SMA系列，發現分子結構、混溶性和延展性之間存在強相關性。BTP-Si4類SMA通過優化分支設計，顯著提升了延展性和PCE，同時保持良好混溶性。
技術優勢：
1、開發了新型有機硅烷官能化小分子受體（BTP-Si4）
作者開發了一種新型的SMA，它在保持較高電子遷移率的同時，顯著提高了共混物的延展性。新型SMA的設計為開發兼具高延展性和高性能的s-OSC提供了關鍵材料基礎，解決了傳統SMA在延展性方面的不足。
2、首次實現了高效率和高延展性的可拉伸有機太陽能電池（s-OSC）
作者通過將BTP-Si4與延展性聚合物供體PNTB6-Cl混合，成功制備了PCE超過16%且極限應變超過95%的可拉伸混合膜和太陽能電池。這是首次報道的在高應變（>30%）下同時實現高效率（PCE >10%）的可拉伸有機太陽能電池。
技術細節
剛性太陽能電池的材料和光伏性能
研究比較了新型有機硅烷官能化小分子受體BTP-Si4與傳統受體Y6在延展性聚合物供體PNTB6-Cl中的性能。BTP-Si4通過N官能化和側鏈支化，抑制了過度聚集，優化了與供體的混溶性，同時提高了延展性和器件效率。在剛性有機太陽能電池（OSC）中，PNTB6-Cl:BTP-Si4器件的功率轉換效率（PCE）達到16.2%，略高于PNTB6-Cl:Y6器件（15.7%）。三元器件（含15% Y6）的PCE進一步提升至17.0%。BTP-Si4的電子遷移率略低于Y6，但其與空穴遷移率的平衡有助于實現高填充因子（FF）和PCE。此外，BTP-Si4器件表現出更低的能量損失和更高的電致發光效率，減少了非輻射復合，從而提升了Voc和PCE。
圖 光活性材料的分子結構和光伏響應
光活性材料和混合物的機械性能
作者通過“薄膜水上拉伸試驗”（FOW）評估了PNTB6-Cl薄膜及其共混物的機械性能。結果顯示，PNTB6-Cl薄膜的極限應變（εu）為66.3%，表現出良好延展性。然而，傳統SMA薄膜因脆性難以進行應力-應變測量。相比之下，PNTB6-Cl:BTP-Si4共混物的εu顯著提升至93.9%，遠高于PNTB6-Cl:Y6薄膜的9.7%。此外，三元共混物PNTB6-Cl:BTP-Si4:Y6在保持17%以上PCE的同時，εu達到74.0%。光學顯微鏡觀察表明，PNTB6-Cl:BTP-Si4薄膜在100%應變下僅出現少量小裂紋，表現出優異的應變耐受性。力學性能測試顯示，BTP-Si4共混物的彈性模量和拉伸強度低于Y6共混物，但韌性是其9倍，表現出更高的機械穩健性。
圖 共混薄膜的機械和形態特性
薄膜形貌和微觀結構分析
作者通過GIWAXS和GISAXS分析了BTP-Si4和Y6薄膜及其共混物的微觀結構。結果顯示，BTP-Si4薄膜的π-π堆積距離與Y6相似（~3.6 ?），但晶體相干長度更小，層狀距離更大，結晶度更低。共混物中，PNTB6-Cl:BTP-Si4表現出更少的結晶紋理和更小的受體域尺寸，表明BTP-Si4聚集受到抑制。微觀形態上，BTP-Si4共混物呈現更小的原纖維束，裂紋擴展緩慢且間歇性，表現出“裂紋停止行為”和尖端鈍化。斷裂后表面更粗糙，顯示出更高的延展性和能量耗散能力。這些特性使BTP-Si4共混物在保持高效率的同時，顯著提升了機械性能。
可拉伸 OSC
作者利用PNTB6-Cl:BTP-Si4的延展性制造了可拉伸有機太陽能電池（s-OSC），其平均功率轉換效率（PCE）為14.1%，最高達14.6%。該s-OSC在20%應變下PCE幾乎不變，80%應變下仍保留82%的初始PCE，表現出良好的延展性。在耐久性測試中，s-OSC在半徑為2毫米的1000次彎曲循環后保留了90%的PCE，在1000次30%應變循環后PCE僅下降25%，顯示出優異的機械穩定性。此外，s-OSC與人體指關節和手腕集成后，在45%應變下仍能穩定輸出光電流。由六個s-OSC串聯組成的模塊在30%應變下可保持5V輸出電壓，滿足可穿戴設備需求。研究還展示了將s-OSC與脈搏血氧儀集成的自供電健康監測系統，為可穿戴健康監測提供了新的解決方案。
圖 可拉伸OSC表征
分子結構和共混物形態與機械性能
研究通過實驗和計算分析了PNTB6-Cl:BTP-Si4共混物薄膜的高延展性。結果顯示，PNTB6-Cl的扭曲主鏈和BTP-Si4的N官能化抑制了鏈聚集，降低了結晶度，從而顯著提高延展性。與脆性供體PM6相比，PNTB6-Cl具有更高的鏈柔韌性，且BTP-Si4使共混物極限應變提升至95.5%。接觸角測量和Flory-Huggins參數計算表明，BTP-Si4與PNTB6-Cl的混溶性優于Y6，自由體積增加，內聚能降低。此外，SMA濃度對延展性和器件效率有顯著影響，優化混溶性組成對最大化機械和光伏性能至關重要。
圖 混合薄膜的極限應變增強機制
SMA分子設計，實現高PCE和延展性
作者通過合成兩個小分子受體（SMA）系列，探討了分子結構、混溶性和延展性之間的關系。第一個系列通過改變烷基鏈分支點位置得到BTP-C2和BTP-C3；第二個系列引入硅原子并延長分支點前的鏈長，得到BTP-Si4、BTP-Si6和BTP-Si8。研究發現，增加分支點前的鏈長降低了混溶性參數（χ）和次級熱弛豫活化能（Ea），增加了自由體積并提高了延展性。Y6系列共混物延展性較低且PCE隨鏈延伸顯著下降，而BTP-Si4系列的延展性和PCE均顯著優于Y6系列。BTP-Si4類SMA的分支設計抑制了過度聚集，優化了混溶性，從而在保持高PCE的同時顯著提高了延展性。這種分子設計策略在其他供體（如PM6）中也表現出良好的通用性。
圖 分子結構、混合性、表觀活化能與極限應變的關系
展望
總之，本工作證明了PNTB6-Cl供體和BTP-Si4受體在可拉伸有機太陽能電池（OSC）中的應用。BTP-Si4通過Si分支點抑制過度結晶，優化了與供體的混溶性，實現了95.5%的拉伸率和14.6%的功率轉換效率（PCE）。在80%應變下，s-OSC仍能保留82%的初始PCE，表現出優異的機械性能。結果表明，合理的受體分子設計和優化的供體-受體混溶性是實現高效且機械強度高的OSC的關鍵。
參考文獻：
ZHENYE WANG, et al. Mechanically robust and stretchable organic solar cells plasticized by small-molecule acceptors. Science, 2025, 387(6732):381-387
DOI: 10.1126/science.adp9709
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp9709
