2月11日，记者从华中科技大学获悉，该校武汉光电国家研究中心邵明教授、张新亮教授团队成功实现了兼具优异的机械柔韧性和高光电转换效率的可拉伸太阳能电池，为可穿戴设备提供了理想的供能解决方案。日前，相关研究成果“小分子受体增塑实现机械强韧且可拉伸的有机太阳能电池”刊发在《科学》上。
随着可折叠手机、智能手表、健康监测设备等可穿戴和便携性电子产品的普及，如何为这些设备提供高效、稳定且持续的供能成为关键挑战。
传统无机太阳能电池（如硅电池）尽管光电转换效率高，但因其刚性和脆性，难以满足可穿戴设备、室内光伏等新应用场景的需求。有机太阳能电池（OPV）虽然具有轻、薄特性且具有一定的机械柔韧性，可以实现弯折，但在大尺度的机械形变（如拉伸）条件下，光电性能仍会急剧下降乃至失效。
目前，高效率的有机太阳能电池仅可承受<5%的拉伸形变。如何克服半导体光电性能和机械性能之间普遍存在的相互制约关系，同时获得高的光电转换效率和机械拉伸性的柔性光电子器件仍面临着巨大挑战。
针对这一挑战，邵明教授课题组前期对有机半导体的光电性能与力学性能进行深入研究，系统探索了半导体分子结构和薄膜结晶性，电子给体和受体之间相互作用的内在联系，为理解非晶和多晶半导体中的载流子传输提供新的理解。
研究中，该团队设计了一类全新的小分子受体材料BTP-Si4。与目前广泛使用的富勒烯和非富勒烯小分子受体不同，该受体材料表现出独特的“增塑”效应。它能大比例渗入到活性层聚合物给体的非晶区域，增大聚合物链段的“自由体积”，利于聚合物链段在外界应力作用下滑移并重新取向，并有效降低了整体光活性层薄膜的结晶性，从而大幅提升薄膜的机械拉伸性能。
同时，该受体分子可以通过紧密的3D堆叠保持高效的电荷传输，具有高电子迁移率。基于该小分子受体和超高延展性的聚合物给体（PNTB6-Cl）的共混活性层薄膜，团队成功制备了高效率（光伏转换效率超过16%）的柔性/可拉伸太阳能电池，器件可承受高达95.5%的极限拉伸形变，远超此前报道的各类柔性太阳能电池。
该器件可与人体皮肤完美共形，即使贴附在手指、手腕、膝盖等大形变的活动关节处，器件仍可正常工作。还可以在室外和室内光照射下为大多数可穿戴电子器件提供足够的驱动能力。
该研究也颠覆了传统观点——为实现高光电转换效率和高载流子迁移率，需要采用刚性平面的分子骨架并获得高结晶性的薄膜，而这通常不可避免地会导致薄膜拉伸性的下降。该研究工作揭示了一项有机半导体普适设计原则——通过小分子受体侧链的合理设计，可以调控其与聚合物给体的相互作用，同时实现高的光电转换效率和优异的力学性能。
“这项研究通过创新的材料组合，克服了电池中吸光层固有的脆性问题，展示了小分子受体在增强延展性和保持电子迁移率方面的独特作用。”《科学》杂志编辑评价道。
（受访单位供图）
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