NSR|面向柔性光伏器件的連結巨分子受體：效率、穩定性、拉伸效能的協同提升

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以面向柔性光伏器件的分子設計為目標，研究者採用連結策略構築了具有三維構型的四聚化受體（GTA），從而實現了對共混膜中分子間纏結、聚集行為以及弛豫特性的精細調控。這一策略成功突破了二元聚合物太陽能電池器件在效率、穩定性和拉伸效能方面協同提升的瓶頸，為柔性光伏器件的高效能化提供了新的思路和方法。相關成果發表於《國家科學評論》（National Science Review, NSR）。北京化工大學張志國教授和天津大學葉龍教授為共同通訊作者。北京化工大學博士畢業生白陽（現黃淮學院講師）為論文的第一作者。

研究背景

近年來，聚合物太陽能電池（PSCs）以其輕質、超薄、柔韌且成本低廉的顯著優勢，在可穿戴裝置、行動式電子裝置等前沿科技領域備受矚目，展現出巨大的應用潛力。得益於從富勒烯型受體到稠環小分子受體（SMAs）的技術革新，PSCs的能量轉換效率（PCE）已成功跨越20%的里程碑。然而，當前PSCs在形貌穩定性和力學效能方面的表現仍存在諸多不足。這些問題影響了電池的使用壽命和應用範圍，成為當前科研人員亟待解決的難題。

在聚合物太陽能電池中，高效能的SMAs往往具有高結構剛性和強結晶性，將其引入聚合物給體薄膜時，往往會致使共混膜出現脆化現象。儘管採用聚合化或寡聚化策略提升SMAs的玻璃化轉變溫度（T_g）可顯著抑制其分子擴散及相分離的動態演化，進而大幅增強活性層的形貌穩定性，但脆化現象仍未得到根本解決。本質上，共混膜的聚集態結構主要由奈米尺度的結晶相和無定形相組成，而透過調節分子結構、分子量以及聚集行為，能夠實現對聚集態結構的精準調控。在較大變形條件下，無定形相中的分子纏結作用對於抵抗外應力起著至關重要的作用。因此，透過引入合適的超分子相互作用，精細調控具有高T_g受體分子的聚集行為，有望在提升形貌穩定性的同時增強力學效能，實現器件效能的協同提升。

研究內容

近年來，該團隊提出了一種基於柔性烷基鏈的“連結受體”策略（TSMAs）^[1-3]。該策略透過調控芳香核的拓撲結構，最佳化SMA子單元之間的超分子相互作用，進而能夠調控其聚集行為。與傳統寡聚化策略相比，該方法在顯著降低分子結構剛性的同時，實現了較高的T_g。為此，本研究進一步採用高對稱性的四苯基甲烷作為芳香核心單元，構建了具有三維構型的四聚體受體GTA。得益於其合適的能級和改善的載流子動力學行為，基於GTA的二元PSCs器件實現了18.71%的PCE。同時，由於T_g顯著提升至145℃，該器件在最大功率點（MPP）條件下光照500小時後，仍可保持90%以上的初始效率，其光穩定性T₈₀約為8000小時。

圖1 四聚體受體GTA的分子設計理念及合成路線示意圖

值得注意的是，透過柔性烷基鏈連線的GTA分子展現出更為豐富的超分子相互作用。芳香核三維構型引入了更多的自由體積，有效抑制了SMA單元的過度聚集。同時，芳香核的高對稱性促進了SMA單元的有序堆積，賦予了GTA分子適當的結晶性。此外，GTA分子之間以及與給體分子之間形成了多尺度的纏結作用，這種纏結作用類似於高度纏結的聚合物網路，能夠顯著增強薄膜的機械柔韌性。動態機械分析測得PM6純膜、PM6:Y6共混膜及PM6:GTA共混膜的損耗模量（I_tanδ）值分別為6.74、3.78和5.83。此外，透過原位拉伸實驗表徵得到基於Y6、TDY-α及GTA的共混膜的裂紋起始應變（COS）值分別為5.6±0.9%、8.0±0.8%和14.2±1.0%。以上結果表明，與Y6分子及基於平面構型的芳香核連結的二聚體分子TDY-α相比，基於三維構型的GTA分子的共混膜能夠更大程度地維持PM6薄膜良好的本徵力學效能。進一步地，基於GTA的柔性器件，在15%拉伸應變下仍可保持88%的初始效率，並且在經過150次拉伸迴圈後，仍可保持76%的初始效率。相比之下，基於Y6的柔性器件已失去功能性。這表明，GTA分子的三維構型不僅提升了器件的力學效能，還顯著增強了其在機械變形條件下的穩定性和耐久性。