【仪表网 研发快讯】有机太阳电池作为一种新兴的清洁能源技术已引起广泛关注。由于活性层材料本征柔性的优势，有机太阳电池更易于完成与柔性电子器件的集成，实现在可穿戴能源，便携式电子设备，农业温室和生物医学等方面的应用。近年来，由于在材料设计和器件工程方面取得的突破性进展，有机太阳电池的光电转换效率实现了显著增长。然而，目前高性能有机太阳电池的活性层体系在抵抗热和弯折拉伸稳定性等方面仍难以满足柔性电子器件的要求。因此，获得同时具有高效高稳定性和机械性能的活性层体系对有机太阳电池的应用至关重要。
最近，在国家自然科学基金委和北京市科委的支持下，化学所有机固体实验室李永舫课题组李骁骏副研究员等在高性能高稳定性有机光伏活性层体系方面取得新进展。他们通过柔性侧链修饰策略，将可提供动态氢键的酯基引入到A-DA'D-A型小分子受体的苯并三唑(BTA)中间核的侧链中，合成了具有不同长度乙酯基侧链的小分子受体BTA-E3、BTA-E6和BTA-E9(分子结构见图1a)，研究了乙酯基侧链上提供的动态氢键和柔性侧链长度对有机太阳电池光伏性能和机械稳定性的影响。分子中酯基的引入主要是考虑到其可以在分子间提供动态化学键(氢键)，从而改变分子间的相互作用，影响分子堆叠行为，促进载流子的输运；同时活性层中动态化学键网络的形成有利于降低分子扩散，提升活性层形貌稳定性；而低键能的动态化学键在外力作用下可以优先吸收应变时释放的能量，使体系获得更好的力学稳定。其中基于BTA-E3的活性层体系比具有相同烷基链但不含酯基的BTA-C6体系，表现出更加紧密且有序的分子堆积和致密的三维电荷传输通道以及更有利的相分离和垂直相分布(图1c)，因此基于BTA-E3的有机光伏器件具有更高效的激子解离和载流子输运。最终，使用非卤溶剂邻二甲苯加工的基于PM6:BTA-E3的有机太阳电池的光电转换效率达到了19.92%(认证效率为19.57%)，填充因子达到了80.63%，创造了绿色溶剂加工的二元有机太阳电池的记录效率。最重要的是，PM6:BTA-E3活性层体系的裂纹起始应变值从基于BTA-C6体系的4.3%提高到了7.0%，韧性模量增加了接近两倍达到0.79 MJ m-3，大幅超过了没有乙酯基侧链的PM6:BTA-C6活性层体系。而且与基于BTA-C6的器件相比，以PM6:BTA-E3为活性层的柔性有机光伏器件的光电转换效率达到18.33%，机械耐受性也显著提高。此外，PM6:BTA-E3活性层体系也表现出更好的热稳定性和存储稳定性。
该研究表明，动态氢键修饰策略对提高器件光伏性能、柔性拉伸性能和器件稳定性具有重要意义，这一策略为柔性小分子受体材料的设计和发展提供了新的思路。相关成果近期发表在Nature Communications上(Nat. Commun. 2025,16,787.)，文章第一作者为博士生贺浩哲，通讯作者为李骁骏副研究员和李永舫研究员。
图1. a,BTA-C6,BTA-E3,BTA-E6和BTA-E9的分子结构；b,BTA-E3的单晶结构分析；c,活性层共混膜中氢键交联网络示意图。
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