文章介绍
可拉伸有机太阳能电池(s-OSCs)的发展需要在机械顺应性和电学性能方面实现同步突破，其挑战根源在于有机半导体与金属电极之间固有的机械不匹配。
基于此，南昌大学陈义旺等人提出了一种双相界面工程策略，通过分子级互锁导电弹性体来调和这些相互冲突的要求。通过在电子传输层(ETL)中嵌入三维互穿导电弹性体网络，利用动态键的塑性实现动态应力耗散。该策略通过Ag配位增强的纳米复合物键合产生梯度模量界面，抑制裂纹扩展速度，并减少了界面机械不匹配现象。最终，在小面积柔性器件上实现了19.58%的PCE，这是迄今为止柔性有机太阳能电池(f-OSCs)中最高的PCE之一。值得注意的是，可拉伸器件在100%拉伸应变下仍能保持超过10%的PCE，超越了以往的可拉伸光伏器件。为进一步验证该策略在大面积模组应用中的潜力，制备了基于25 cm2的柔性及可拉伸模组，其PCE分别为16.74%和14.48%。这项工作通过建立一个通用的机械自适应框架，同步了从分子到宏观尺度的界面动态，重新定义了可变形电子器件的材料设计规则。该论文近期以“Molecularly Interlocked Interfaces Enable Record-Efficiency Stretchable Organic Photovoltaics”为题发表在顶级期刊Advanced Materials上。
研究亮点：
创新的界面工程策略：通过在电子传输层中嵌入三维互穿导电弹性体网络，实现了动态应力耗散。
高效能量转换：研究实现了19.58%的光电转换效率(PCE)，这是目前柔性有机太阳能电池(f-OSCs)中最高的效率之一。此外，可拉伸设备在100%拉伸应变下仍能保持超过10%的PCE，超越了以往的可拉伸光伏设备。
大面积模块应用潜力：研究进一步验证了该策略在大面积模块应用中的潜力，制备了基于25平方厘米的柔性模块和可拉伸模块，其PCE分别达到16.74%和14.48%。
研究内容：
该研究提出了双相界面工程策略，通过分子互锁的导电弹性体网络实现了动态应力耗散。通过在电子传输层(ETL)中嵌入三维互穿导电弹性体网络，实现了动态键的塑性，有效抑制了裂纹扩展速度，并减少了界面机械失配现象。
研究意义：
技术突破：该研究通过创新的界面工程策略，解决了有机太阳能电池在机械顺应性和电子性能之间的矛盾，为可拉伸有机光伏技术的发展提供了新的思路。
应用前景：这种高性能的可拉伸有机太阳能电池在可穿戴电子设备、柔性显示器和智能服装等领域具有广阔的应用前景。
图文信息
图1. 材料特性及柔性与可拉伸器件光伏性能的表征。a) PNDIT-F3N和PIL-PDES的化学结构。b) PM6、PY-DT、PNDIT-F3N和PNDIT-F3N:PIL-PDES的能级对齐。c) 不同PIL-PDES含量(PNDIT-F3N:PIL-PDES=1:X，X=0, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5, 1)的柔性器件PCE的变化趋势。d) 本研究中柔性器件的实验室PCE与2020年至2025年间文献报道的对比。e) 不同PIL-PDES含量(PNDIT-F3N:PIL-PDES=1:X，X=0, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5, 1)的可拉伸器件PCE的变化趋势。f) 基于PNDIT-F3N:PIL-PDES(1:1)的可拉伸器件在100%拉伸条件下的PCE变化趋势。g)基于25 cm2基底的柔性与可拉伸模组的J-V特性曲线。h) 基于柔性模组的PCE随MPP试验时间的变化。在此情况下，目标样品是基于PNDIT-F3N:PIL-PDES(1:0.1)的可拉伸模组。
图2. 通过添加PIL-PDES改善柔性与可拉伸器件的机械性能。a) 对应的PNDIT-F3N:PIL-PDES薄膜在软基底上经过压痕测试(纳米压痕，ND)后的断裂行为。b) 不同PIL-PDES含量的PNDIT-F3N薄膜在50%应变下的光学显微镜(OM)图像。c) 不同PIL-PDES含量(PNDIT-F3N:PIL-PDES = 1:X，X = 0, 0.1, 0.2, 1)的PNDIT-F3N薄膜的应力-应变曲线。d)不同PIL-PDES含量(PNDIT-F3N:PIL-PDES=1:X，X=0, 0.1, 0.2, 1)的PNDIT-F3N薄膜在相同弯曲循环次数下的XRD特征峰位移图。e) 基于PNDIT-F3N:PIL-PDES薄膜在100%拉伸应变下的电导率变化(在100%拉伸应变下电导率保持率>92%)。f) 在弹性基底上的银金属化薄膜在胶带测试过程中的电导率变化。
图3. PIL-PDES添加对ETL形貌和结晶性能的影响。a) 不同PIL-PDES含量的PNDIT-F3N:PIL-PDES薄膜的AFM高度图像和b) TEM图像。c) 不同PIL-PDES含量的PNDIT-F3N:PIL-PDES薄膜的GIWAXS二维图案。
图4. 界面梯度模量构建以解决界面不匹配挑战。a) 基于Ag-PNDIT-F3N和Ag-PNDIT-F3N:PIL-PDES(1:1)薄膜的截面SEM图像和EDS成分分布图，显示Ag、S和Cl原子的分布。标尺为500 nm。b) 基于Ag-PNDIT-F3N和Ag-PNDIT-F3N:PIL-PDES(1:1)薄膜的纳米复合物界面梯度DMT模量的变化趋势。c) 基于PNDIT-F3N、PIL-PDES和PNDIT-F3N:PIL-PDES薄膜的XPS分析。d) 基于Ag、PNDIT-F3N/Ag和PNDIT-F3N:PIL-PDES/Ag薄膜的XPS分析。e) 添加PIL-PDES以实现器件增韧的机制示意图。
总之，作者等人证明了通过自适应架构，互锁导电弹性体网络从根本上解决了可拉伸光伏器件中的力电悖论。双相界面工程策略协同了分子尺度的拓扑缠结和介观尺度的梯度模量变化，实现了f-OSCs的PCE为19.58%。此外，该策略在100%应变下仍能保持超过10%的效率，这在可拉伸能量器件中是前所未有的。至关重要的是，纳米纤维网络的构建成功实现了机械应力的多模式释放，而界面梯度模量的变化显著地实现了Ag-PNDIT-F3N纳米复合物界面的机械匹配。这种多尺度设计理念克服了导电性与顺应性之间的经典权衡，在极端变形下保持92%的电荷传输得到了验证。25 cm2模组的可扩展制造在经过2000次弯曲循环后性能衰减小于10%，证明了其在可穿戴系统中的技术可行性。这项工作通过工程化的动态界面将分子柔性与宏观功能相结合，为下一代可变形电子器件建立了一个范例，为自主软体机器人和自适应能量系统的发展开辟了道路。
器件制备
器件制备：
PI/ITO/PEDOT:PSS/Active layer/PNDIT-F3N/Ag
1. 洗干净的PI/ITO等离子体处理15 min，PEDOT:PSS 4000rpm 40s旋涂，120℃退火7 min;0.5 mg/mL 2PACz 1800rpm 30s旋涂，并用2,2,2-三氟乙醇冲洗至单分子层，随后退火5分钟;
2. 15.5 mg/mL PM6:PY-DT=1:1.15(w/w)+1.5 v% CN溶于CF，60°C下搅拌4 h，3000rpm 30s旋涂，CF溶剂退火30s;
3.含有不同PIL-PDES含量的PNDIT-F3N(甲醇，0.5%乙酸，1.3 mg/mL)，3000rpm旋涂;
4. 蒸镀75 nm Ag。
制备可拉伸器件，将PI/ITO替换为聚对二甲苯基底，并涂覆PEDOT:PSS(PH1000)，其余制备过程与柔性器件相同。
模组：
柔性有机太阳能模组基于聚酰亚胺(PI)基底，其溶液制备和退火过程与小面积光伏器件一致。可拉伸模组使用沉积的聚对二甲苯膜作为基底，并采用PH1000作为透明电极，其余制备过程与柔性模块相同。激光刻蚀具体如下：
1. P1(200 mm/s，100 kHz，200 us)，用IPA无尘布擦拭PI/ITO电极;
2. 分别以5 mm/s、40 mm/s和10 mm/s的速度，通过刮涂工艺制备PEDOT:PSS(4083)、活性层溶液和PNDIT-F3N(含有不同比例的PIL-PDES);
3. P2刻蚀(600 mm/s，100 kHz，10 us);
4. 沉积75 nm Ag;P3(300 mm/s，100 kHz，10 us)和P4(300 mm/s，100 kHz，10 us)刻蚀。
文章信息
H. Li, S. Zeng, H. Zhao, Q. Liu, T. Xue, S. Liu, H. Li, L. Hu, E. Zhou, M. Khumalo, X. Hu, Y. Chen, Molecularly Interlocked Interfaces Enable Record-Efficiency Stretchable Organic Photovoltaics, Adv. Mater. 2025, 2507761.
DOI: 10.1002/adma.202507761
索比光伏网 https://news.solarbe.com/202506/05/389958.html
