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原创丨米测MeLab

编辑丨风云

研究背景

可穿戴光电设备（e-wearables）由可拉伸晶体管、显示器和传感器组成，能在机械变形下保持运行。然而，其供电组件占据较大物理空间，限制了设备的整体一致性和稳健性。有机太阳能电池（OSC）因其机械柔韧性、可拉伸性、重量轻和溶液可加工性，成为可穿戴设备的理想电源。

关键问题

然而，有机太阳能电池在可穿戴设备上的应用主要存在以下问题：

1、开发延展性有机光活性混合物仍然具有挑战性

可拉伸有机太阳能电池（s-OSC）需要适应较大的变形（应变ε>30%），但目前大多数光活性材料都表现出脆性（极限应变ε_u<5%）。尽管通过添加三元组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、可拉伸有机太阳能电池的效率和延展性难以兼顾

目前的s-OSC效率远远低于刚性和可弯曲设备，且在实现高效（PCE>10%）的同时，难以达到所需的机械可拉伸性能（ε_u>30%）。尽管已有研究尝试通过材料设计提高光活性层的延展性，但目前尚未有报道能够同时满足高效和高延展性要求的s-OSC。    

新思路

有鉴于此，华中科技大学邵明、汕头大学武庆贺及美国佐治亚理工学院Seung Soon Jang、Antonio Facchetti等人报告了一种专为具有较大机械柔顺性和性能的可拉伸有机太阳能电池（s-OSC）共混物而设计的小分子受体（SMA），也称为非富勒烯受体（NFA）。有机硅烷官能化的SMA BTP-Si4与聚合物供体 PNTB6-Cl的共混物实现了>16%的功率转换效率 (PCE)和>95%的极限应变 (e_u)。典型的SMA会抑制OSC共混物的延展性，但添加BTP-Si4会增强延展性。虽然BTP-Si4的结晶性不如其他SMA，但它保留了相当大的电子迁移率，并且与PNTB6-Cl高度混溶，对于增强e_u至关重要。因此，展示了PCE > 14% 且在各种变形下正常运行的 s-OSC（80%应变下的PCE保留率>80%）。对几种 SMA-聚合物共混物的分析揭示了设计延性共混物的一般分子结构-混溶性-拉伸性关系。

技术方案：    

1、比较了新型受体与传统受体在延展性聚合物供体PNTB6-Cl中的性能

作者比较了新型小分子受体BTP-Si4与传统受体Y6在延展性聚合物供体PNTB6-Cl中的性能，结果表明BTP-Si4实现了16.2%的PCE，略高于Y6。

2、研究了光活性材料和混合物的机械性能

力学性能测试显示，BTP-Si4共混物的弹性模量和拉伸强度低于Y6共混物，但韧性是其9倍，表明其具有更高的机械稳健性。

3、分析了薄膜形貌和微观结构并展示了其在s-OSC中的应用

GIWAXS和GISAXS分析表明，BTP-Si4薄膜的结晶度低于Y6，且共混物中BTP-Si4聚集受到抑制，显著提升了机械性能。制造的s-OSC器件表现出优异的性能。

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扭曲主链、BTP-Si4的N官能化和良好混溶性。

5、探讨了分子结构、混溶性和延展性之间的关系

研究通过合成两个SMA系列，发现分子结构、混溶性和延展性之间存在强相关性。BTP-Si4类SMA通过优化分支设计，显著提升了延展性和PCE，同时保持良好混溶性。

技术优势：

1、开发了新型有机硅烷官能化小分子受体（BTP-Si4）

作者开发了一种新型的SMA，它在保持较高电子迁移率的同时，显著提高了共混物的延展性。新型SMA的设计为开发兼具高延展性和高性能的s-OSC提供了关键材料基础，解决了传统SMA在延展性方面的不足。    

2、首次实现了高效率和高延展性的可拉伸有机太阳能电池（s-OSC）

作者通过将BTP-Si4与延展性聚合物供体PNTB6-Cl混合，成功制备了PCE超过16%且极限应变超过95%的可拉伸混合膜和太阳能电池。这是首次报道的在高应变（>30%）下同时实现高效率（PCE >10%）的可拉伸有机太阳能电池。

技术细节

刚性太阳能电池的材料和光伏性能

研究比较了新型有机硅烷官能化小分子受体BTP-Si4与传统受体Y6在延展性聚合物供体PNTB6-Cl中的性能。BTP-Si4通过N官能化和侧链支化，抑制了过度聚集，优化了与供体的混溶性，同时提高了延展性和器件效率。在刚性有机太阳能电池（OSC）中，PNTB6-Cl:BTP-Si4器件的功率转换效率（PCE）达到16.2%，略高于PNTB6-Cl:Y6器件（15.7%）。三元器件（含15% Y6）的PCE进一步提升至17.0%。BTP-Si4的电子迁移率略低于Y6，但其与空穴迁移率的平衡有助于实现高填充因子（FF）和PCE。此外，BTP-Si4器件表现出更低的能量损失和更高的电致发光效率，减少了非辐射复合，从而提升了V_oc和PCE。    

图  光活性材料的分子结构和光伏响应

光活性材料和混合物的机械性能

作者通过“薄膜水上拉伸试验”（FOW）评估了PNTB6-Cl薄膜及其共混物的机械性能。结果显示，PNTB6-Cl薄膜的极限应变（ε_u）为66.3%，表现出良好延展性。然而，传统SMA薄膜因脆性难以进行应力-应变测量。相比之下，PNTB6-Cl:BTP-Si4共混物的ε_u显著提升至93.9%，远高于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的同时，ε_u达到74.0%。光学显微镜观察表明，PNTB6-Cl:BTP-Si4薄膜在100%应变下仅出现少量小裂纹，表现出优异的应变耐受性。力学性能测试显示，BTP-Si4共混物的弹性模量和拉伸强度低于Y6共混物，但韧性是其9倍，表现出更高的机械稳健性。    

图  共混薄膜的机械和形态特性

薄膜形貌和微观结构分析

作者通过GIWAXS和GISAXS分析了BTP-Si4和Y6薄膜及其共混物的微观结构。结果显示，BTP-Si4薄膜的π-π堆积距离与Y6相似（~3.6 Å），但晶体相干长度更小，层状距离更大，结晶度更低。共混物中，PNTB6-Cl:BTP-Si4表现出更少的结晶纹理和更小的受体域尺寸，表明BTP-Si4聚集受到抑制。微观形态上，BTP-Si4共混物呈现更小的原纤维束，裂纹扩展缓慢且间歇性，表现出“裂纹停止行为”和尖端钝化。断裂后表面更粗糙，显示出更高的延展性和能量耗散能力。这些特性使BTP-Si4共混物在保持高效率的同时，显著提升了机械性能。

可拉伸 OSC

作者利用PNTB6-Cl:BTP-Si4的延展性制造了可拉伸有机太阳能电池（s-OSC），其平均功率转换效率（PCE）为14.1%，最高达14.6%。该s-OSC在20%应变下PCE几乎不变，80%应变下仍保留82%的初始PCE，表现出良好的延展性。在耐久性测试中，s-OSC在半径为2毫米的1000次弯曲循环后保留了90%的PCE，在1000次30%应变循环后PCE仅下降25%，显示出优异的机械稳定性。此外，s-OSC与人体指关节和手腕集成后，在45%应变下仍能稳定输出光电流。由六个s-OSC串联组成的模块在30%应变下可保持5V输出电压，满足可穿戴设备需求。研究还展示了将s-OSC与脉搏血氧仪集成的自供电健康监测系统，为可穿戴健康监测提供了新的解决方案。    

图  可拉伸OSC表征

分子结构和共混物形态与机械性能

研究通过实验和计算分析了PNTB6-Cl:BTP-Si4共混物薄膜的高延展性。结果显示，PNTB6-Cl的扭曲主链和BTP-Si4的N官能化抑制了链聚集，降低了结晶度，从而显著提高延展性。与脆性供体PM6相比，PNTB6-Cl具有更高的链柔韧性，且BTP-Si4使共混物极限应变提升至95.5%。接触角测量和Flory-Huggins参数计算表明，BTP-Si4与PNTB6-Cl的混溶性优于Y6，自由体积增加，内聚能降低。此外，SMA浓度对延展性和器件效率有显著影响，优化混溶性组成对最大化机械和光伏性能至关重要。    

图  混合薄膜的极限应变增强机制

SMA分子设计，实现高PCE和延展性

作者通过合成两个小分子受体（SMA）系列，探讨了分子结构、混溶性和延展性之间的关系。第一个系列通过改变烷基链分支点位置得到BTP-C2和BTP-C3；第二个系列引入硅原子并延长分支点前的链长，得到BTP-Si4、BTP-Si6和BTP-Si8。研究发现，增加分支点前的链长降低了混溶性参数（χ）和次级热弛豫活化能（E_a），增加了自由体积并提高了延展性。Y6系列共混物延展性较低且PCE随链延伸显著下降，而BTP-Si4系列的延展性和PCE均显著优于Y6系列。BTP-Si4类SMA的分支设计抑制了过度聚集，优化了混溶性，从而在保持高PCE的同时显著提高了延展性。这种分子设计策略在其他供体（如PM6）中也表现出良好的通用性。    

图  分子结构、混合性、表观活化能与极限应变的关系

展望

总之，本工作证明了PNTB6-Cl供体和BTP-Si4受体在可拉伸有机太阳能电池（OSC）中的应用。BTP-Si4通过Si分支点抑制过度结晶，优化了与供体的混溶性，实现了95.5%的拉伸率和14.6%的功率转换效率（PCE）。在80%应变下，s-OSC仍能保留82%的初始PCE，表现出优异的机械性能。结果表明，合理的受体分子设计和优化的供体-受体混溶性是实现高效且机械强度高的OSC的关键。

参考文献：

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