【儀表網 產業報道】有機太陽能電池(OSCs)作為新一代光伏技術，因其獨特的輕薄柔韌特性而備受關注。其中，全聚合物太陽能電池(all-PSCs)因聚合物材料固有的機械柔韌性和長期穩定性潛力，成為研究的熱點。然而，當前聚合物受體的研究面臨著諸多挑戰，尤其是主流的Y系列聚合物受體由于其單體分子構型的特殊性，在聚合位點的空間產生鈍化效應，導致受體分子量普遍較低(數均分子量Mn一般在10 kDa左右，相當于4-5個重復單元)。低聚合度嚴重削弱了分子間的物理纏結能力，降低了薄膜形態的穩定性以及機械柔韌性；同時，分子堆積無序性較高，也削弱了電荷產生、傳輸及器件效率，造成明顯的批次差異。
近年來，盡管國內外研究人員通過分子設計和器件工程取得了一定進展，但本質問題仍未得到解決。在此背景下，青島能源所先進有機功能材料與器件研究組積極探索新型類聚合物-寡聚體材料開發。寡聚體兼具小分子的結構確定性和聚合物的長程有序特性，有望規避聚合物受體所面臨的效率和穩定性問題。基于此思路，研究團隊開發了一種S構型四聚體分子4Y-BO，其與聚合物受體PY-BO具有相同的分子骨架及相近的分子量(圖1)。通過GIWAXS研究證實，4Y-BO薄膜具有更加緊密有序的分子堆積，結晶性和載流子特性得到顯著提升。同時，四聚體分子與聚合物給體之間具有相對更強的相互作用，異質結表現出高度有序的纖維狀微晶結構，為高效的電荷產生、傳輸和穩定活性層形貌奠定了基礎。
在具體應用方面，以PM6為給體，基于四聚受體4Y-BO的二元有機光伏電池實現了高達19.75%的優異性能(認證效率19.58%，寡聚受體的最高記錄)，且批次間差異顯著小于基于聚合物受體的器件(15.66%)。
更為重要的是，四聚體4Y-BO的光伏器件在穩定性方面實現全方位提高：熱穩定性方面，其高的玻璃化轉變溫度(Tg=134°C)抑制了分子蠕變行為及擴散，在80°C加速老化實驗中，PM6:4Y-BO器件的T80%壽命為2125小時，是PM6:PY-BO(512小時)的4.1倍；光穩定性方面，AM 1.5G持續光照150小時后，器件效率保持率近93%(PM6:PY-BO為83%)；機械穩定性方面，PM6:4Y-BO共混膜的彈性模量(232 MPa)和彈性變形能力(6.22%)均優于PY-BO(221 MPa，5.35%)，柔性電池經1000次彎曲(彎折半徑5 mm)后效率保持91%，展現出更快的彎折回彈性能。這種“剛柔并濟”的特性使其成為可穿戴光伏器件的理想候選材料。這些研究結果證明，S構型四聚體在效率、穩定性和機械柔韌性方面的巨大潛力，且為柔性有機光伏的進一步研究提供了重要參考。
圖1 聚合物受體與S構型四聚體性能比較
該工作以 “Polymer-like tetramer acceptor enables stable and 19.75% efficiency binary organic solar cells” 為題發表在國際期刊Nature Communications上。論文第一作者為王劍曉博士、孫成博士，通訊作者為包西昌研究員、李永海副研究員，并得到了褚君浩院士的悉心指導。該研究工作得到國家自然科學基金、中國科學院青促會項目、山東能源研究院專項基金、“強基”計劃、中國博士后科學基金以及山東省博士后創新人才支持計劃等項目的資助。
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