有机太阳能电池（OSCs）由于其质轻、半透明和颜色可调等优点，在可穿戴/便携式电子设备中具有极大的应用潜力。近年来，随着非富勒烯小分子的快速发展，基于聚合物给体和非富勒烯小分子两组分共混体系的OSCs能量转换效率（PCE）已经接近19%。受限于非富勒烯小分子受体的脆性，该类OSCs的力学性能通常较差，难以满足可拉伸/穿戴应用。因此，如何在保持高PCE的情况下改善活性层的力学性能成为亟待解决的问题。
针对以上问题，天津大学材料科学与工程学院的叶龙教授和耿延候教授等前期报道了在聚合物:非富勒烯小分子共混体系中加入少量的富勒烯PC71BM，能够优化薄膜的分子堆积和相分离结构，从而同时提高共混薄膜的裂纹起始应变（COS）和光伏性能（PCE）。此外，他们提出基于聚合物:非富勒烯小分子:富勒烯三元共混体系的弹性模量能够通过扩展的三组分力学模型进行预测（Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2003506, DOI: 10.1002/aenm.202003506, ESI高被引论文）。由于富勒烯的引入会使共混薄膜的弹性模量增大，且对COS的提高幅度不大。最近，该团队提出了一种提高聚合物:小分子共混体系拉伸性能的新方法，即引入商业化低成本的热塑性弹性体-SEBS作为第三组分。同步辐射掠入射散射结果表明溶液加工的SEBS薄膜表现为非晶态，其具有优异的可拉伸性能（断裂应变超过1000%）和极低的弹性模量（E＜10 MPa）。他们以三组分共混的PM6:N3:SEBS为模型体系，研究发现，随着共混薄膜中SEBS含量增加，共混薄膜的COS逐渐增加，弹性模量逐渐下降。在同样的拉伸应变下（30%），裂纹尺寸可以大幅减小。通过AFM、TEM、峰值力定量纳米力学成像（PFQNM）、散射扫描近场光学显微镜（IR s-SNOM）和掠入射X射线衍射（GIWAXS）等结构表征技术对共混薄膜的聚集态结构进行了全面细致的表征，结果发现，SEBS在共混薄膜中易形成孤立的软相，且随SEBS含量增加，SEBS富集相逐渐增大。此外，随SBES含量增加，共混薄膜在保持较高光伏性能的同时COS得到了1倍的提升。他们还发现该三组分共混体系的弹性模量可以用Coran-Patel模型进行拟合和预测。为了验证上述策略和力学模型的适用性，作者进一步选取了PBQx-TF:eC9-2Cl和PBDB-T:ITIC等代表性共混体系，分析了SEBS对不同聚合物:小分子共混体系光伏性能、力学性能的影响规律。结果显示，以上3种三组分共混体系的弹性模量均可以用同一个力学模型进行预测。这种策略简单、有效，可以为理解和调控多相多组分有机光伏薄膜的光伏性能以及力学性能提供参考。
图1.引入SEBS对有机太阳能电池活性层力学/光伏性能的影响
相关结果以“Thermoplastic Elastomer Tunes Phase Structure and Promotes Stretchability of High-Efficiency Organic Solar Cells”为题发表在国际著名材料期刊《Advanced Materials》，并被选为Editor’s Choice。天津大学材料科学与工程学院的博士研究生彭忠祥为文章第一作者，叶龙教授为通讯作者，天津大学为第一完成单位。论文的共同作者包括天津大学耿延候教授、中国科学院化学研究所侯剑辉研究员和上海光源杨春明副研究员。涉及的同步辐射测试在上海同步辐射光源和北京同步辐射装置多个线站完成，s-SNOM表征得到Quantum Design公司卢曦博士的技术支持。该项研究得到了国家自然科学基金、天津大学北洋学者英才计划启动经费及应用光学国家重点实验室开放基金的大力支持。
全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202106732
来源：高分子科学前沿
https://mp.weixin.qq.com/s/5Jjx3FEqGQx2NZKu37VqLQ
