科技日报记者 王健高 通讯员 刘佳
11月1日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所传来喜讯：该所利用三元策略构建超高拉伸性的高效有机光伏电池。该工作近期以题为“Overlapping fasten packing enables efficient dual-donor ternary organic solar cells with super stretchability”发表在国际能源领域知名期刊Energy & Environmental Science上。论文第一作者为该所博士生王剑晓，通讯作者为该所包西昌研究员、文树光副研究员及上海光源的杨春明副研究员。
近年来有机太阳能电池（OSC）以其重量轻、吸收范围广、制备工艺简单及无污染等独特优势被不断研究。随着光伏材料和器件工程的飞速发展加快了OSC的产业化进程。然而，如何有效地提高OSC的稳定性是实现实际应用所面临的重中之重。与无机太阳能电池不同，OSC可以应用于柔性和可穿戴电子领域，对活性层提出了更严格的要求。
作为OSC光电转换核心的活性层材料、分子排列和网络形态是影响OSC柔性和稳定性的重要因素。一般情况活性层为亚稳态结构，会随着时间的推移，分子会扭曲和蠕动，导致材料之间的分层，从而影响激子离解和电荷提取。另外，由于工作环境或基底的不同，有源层和传输层之间的层间作用对器件热稳定性和机械稳定性也尤其重要。因此，调节活性层中的分子堆积和纠缠、改变活性层的内部和表面特性对提高器件机械稳定性和热稳定性具有重要意义。
为此,该所先进有机功能材料与器件研究组分别利用两种具有不同侧链的聚合物给体（PBB1-Cl和PBB2-Cl）作为第三组分来精细调节活性层内部及表面特性，以改善有机太阳能电池的性能。PBB1-Cl和PBB2-Cl的良好平面性显著增加了分子间排列的重叠区，特别是PBB1-Cl拥有一维侧链可以降低了分子间的空间位阻，使活性层的分子间紧密堆积和缠结显著增强。
研究表明，加入20·wt%的PBB1-Cl后，基于PM6:PBB1-Cl:Y6-BO-4Cl三元共混膜的断裂伸长率提高了4.6倍（26.86%），相应器件的转换效率（PCE）从15.83%提高到17.36%。有趣的是，PBB1-Cl基三元共混膜与传输层之间较小的表面能γs差有降低层间分离的可能性。同时，三元共混膜的玻璃化转化温度Tg提高，吸收光谱的温度敏感性降低，使得活性层的热稳定性得到改善。最终，PBB1-Cl基柔性三元OSC的PCE在直径为10·mm时500次弯曲或100℃退火24小时内仍保持在74%以上。
结果表明，增强活性层中的分子间重叠紧密堆积优化活性层内外特性对于改善OSC的光伏性能、机械稳定性和热稳定性具有重大潜力。
