Nat. Commun. 北航孙艳明、孙晓波：可拉伸柔性OSCs效率稳定保持18.39% 星状聚合物打破效率与柔韧性的固有权衡

2025-12-02 09:40:53 光焱科技股份有限公司

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星状支链聚合物给体在高性能可拉伸有机太阳能电池中的应用

本研究探讨星状支链聚合物给体（Star-branched Polymer Donors， SPDs）在高性能、高挠曲性与本征可拉伸有机太阳能电池（OSCs）中的应用。

研究背景与核心问题

随着可穿戴电子设备的发展，有机太阳能电池不仅需要具备高功率转换效率（PCE），还必须拥有优异的机械稳健性与柔韧度。传统上，增强光伏材料的机械顺应性往往牺牲电荷传输与提取效率，使得PCE与机械强度之间存在固有的权衡矛盾。例如，PM6这类高性能给体通常具有刚性的线性结构，限制了其在可形变（柔性与本征可拉伸）OSCs中的应用。

本研究由北京航空航天大学的孙艳明、孙晓波教授等人主导，旨在通过分子设计工程克服此挑战，研究成果发表于《Nature Communications》期刊。研究团队设计并合成了三种星状支链聚合物给体（S1, S2, S3），方法是将不同含量的1,3,5-三（溴甲基）苯引入PM6骨架中，进行分子内共价交联，形成网状结构。这种结构创新显着增强了材料的断裂应变（fracture strain），其中S3达到19.16%，S2达到15.33%，均高于线性PM6的10.46%，从而提升了器件的应力耐受性与疲劳耐久性（图2g）。

S2:L8-BO二元OSCs在刚性基板上实现19.51%的PCE，在柔性器件上保持18.39%，在可拉伸器件上保持15.40%，并进一步在三元体系中达到20.48%的PCE（图3a）。

J-V/Voc/EQE光电检测与物理特性分析

为系统性评估交联结构对光伏性能的影响，所有刚性器件采用标准结构:ITO/2PACz/活性层/PNDIT-F3N/Ag。活性层溶液（D:A重量比为1:1）在氮气氛围下旋涂，并进行80°C热退火。

J-V测量条件与性能验证

Enlitech SS-F5-3A太阳光模拟器提供标准AM1.5 G光源，同时利用校准过的SRC2020硅太阳能电池进行辐照强度标定，确保100 mW/cm²的精确度。J-V曲线扫描范围为-0.5 V至1 V，采用50 mV步长，保持时间10 ms，沿正向扫描方向进行。

在二元体系中，S2:L8-BO器件表现最佳，PCE为19.51%（平均值19.20±0.21%），开路电压（Voc）为0.902 V，短路电流密度（Jsc）为26.70 mA/cm²，填充因子（FF）为81.0%（参见图3a与表1）。

EQE光谱与电流一致性校准

器件的光谱响应特性由Enlitech QE-R3011太阳能电池EQE测量系统完成，外部量子效率（EQE）光谱测量显示，所有器件在350 nm至1000 nm范围内具有广泛光谱响应，表明光能利用率高（参见图3c）。EQE曲线积分所得的电流密度与J-V测量得到的Jsc数值偏差小于3%，确认了测量数据的可靠性。

当S2:L8-BO共混物中加入第三种受体ZY-8F后，三元器件PCE显着提升至20.48%，且Voc达到0.921 V（图18a）。

若使用非卤素溶剂邻二甲苯（o-xylene）制备三元器件，PCE仍可达20.26%，这有利于绿色制程与大面积生产（图S20a）。

Voc机制分析与复合途径诊断

器件的复合机制通过Voc对光强（Plight）的依赖性进行分析，关系式为Voc ∝ n ln（Plight）。斜率n越接近kT/q，表明双分子复合占主导;斜率显着大于kT/q，则指示陷阱辅助复合增加。

数据显示，S2:L8-BO器件的斜率为1.06 kT/q，接近理想值，表明其双分子复合占主导，陷阱辅助复合程度最低。相比之下，S1（1.46 kT/q）与S3（1.34 kT/q）器件的斜率明显更高，暗示了不当的交联剂含量引入了更多的陷阱辅助复合（参见图3e）。

Jsc对光强的依赖性（Jsc ∝ （Plight）^α）亦用于评估双分子复合。S2器件的α拟合指数为0.996，接近于1，证实了其最低的双分子复合率与完善的电荷收集效率（参见图3f）。

此外，S2器件的激子解离概率（Pdiss）经计算达到99.3%（参见图3d）。

载流子传输与形貌学关联

SCLC测量结果显示，S2:L8-BO共混膜表现出增强且平衡的电荷传输特性。其空穴与电子迁移率（μh/μe）分别为5.59×10⁻⁴ cm² V⁻¹ s⁻¹与4.72×10⁻⁴ cm² V⁻¹ s⁻¹，迁移率比值为1.18（图3g.h.i）。

GIWAXS分析表明，S2:L8-BO共混物具有最高的晶体相干长度（CCL = 29.92 Å），这与其优异的激子解离效率和平衡的电荷传输相吻合，解释了S2器件的最佳性能（图4d）。

结论与研究成果

本研究通过星状支链的分子工程策略，将高性能PM6骨架共价交联成内部网状结构，显着提高了聚合物给体的机械顺应性与本征可拉伸性。

S2-基器件在刚性、柔性与本征可拉伸OSCs中均展现出优异的光伏性能。柔性器件在2 mm弯曲半径下，循环6000次后仍能保持初始PCE的80%以上。可拉伸器件（S2与S3）在15%拉伸应变下，仍能保持超过90%的效率保留率，并且能承受高达35%的应变而不失效（参见图5e）。