实验室应磊研究员&钟文楷副教授：聚合物给体模块化分子设计调控有机太阳电池的溶液聚集和拉伸性能

随着有机太阳电池在绿色制造和柔性电子领域的快速发展，聚合物平面性与链柔性的协同调控，是构筑有序堆积且可拉伸的有机半导体材料的有效途径。通过分子模块化设计，可同时优化能级匹配、溶液聚集行为及拉伸力学特性，为可持续加工和可穿戴能源器件提供新思路。

近日，华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室的应磊研究员课题组基于PTzBI材料平台，通过Flory-Huggins平均场理论推广指导模块化分子设计策略，实现了兼具高效率与高拉伸性能的有机太阳电池。通过冷冻电镜确认新开发的聚合物PTzBI-dF-Si在邻二甲苯无卤溶液中形成有序纤维网络结构。从而在无卤溶液加工的可拉伸光伏器件中达到超过16%效率，并在40%应变下保持80%以上效率，为绿色、可穿戴光伏器件的规模化应用开辟了新途径。

本研究基于模块化分子设计策略合成了新型聚合物 PTzBI-dF-Si，实现了能级、结晶性与链柔性的协同调控。通过定量拟合氟代BDT单元、氟代π桥、硅氧烷三种单元对性能的贡献。利用扩展的Flory–Huggins晶格流体模型，系统分析了聚合物化学修饰对聚合物给体在溶液中的“自聚集-溶解”竞争关系。理论计算与核磁NOESY实验结果共同表明，PTzBI-dF-Si 在溶液中表现出聚集与溶解的精细平衡，从而形成稳定的纤维网络预聚集结构。成膜过程中，这些预聚集体进一步演化为高度有序的纤维状形貌。实现了16.2%光电转换效率的邻二甲苯溶剂加工的本征可拉伸有机光伏器件，并在40%应变下仍保持80%以上的初始效率，这是首个基于无卤溶剂加工的高效本征可拉伸有机太阳电池器件。GIWAXS、AFM-IR与RSoXS表征证实其形成贯通的双组分纤维网络结构；瞬态吸收与器件物理分析显示，该结构促进激子解离、抑制复合并延长载流子寿命，为高效可拉伸有机光伏提供了新的材料体系。

图1. (a)PTzBI给体聚合物模块化分子设计示意图。（b）PTzBI-dF和PTzBI-dF-Si邻二甲苯溶液的Cryo-TEM成像。(c) PTzBI-dF:L8-BO和PTzBI-dF-Si:L8-BO的溶液-湿膜-薄膜纤维化转变特性示意图。(d)文献报道的可拉伸有机光伏器件的PCE和PCE衰减到初始值的80%时对应的拉伸应变。

相关研究成果以“ModularDesign of Polymer Donors Regulates Solution Aggregation and Stretchability ofOrganic Solar Cells”为题发表在Angewandte Chemie International Edition上，其中通讯作者为钟文楷副教授和应磊研究员，第一作者为罗轩昂博士。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202514985