浙江大学陈红征教授团队AM：具有记录效率的新型结构可拉伸有机光伏器件

便携式可穿戴设备在人体健康监测、人机交互、物联网等领域具有巨大的应用潜力。除了满足基本功能外，在实际应用场景中还要求可穿戴设备具有柔韧性甚至可拉伸性。这使得可穿戴设备的电源同样需要克服不可避免的形变以满足实际使用需求。在现有的电源技术中，有机光伏器件(OPVs)由于其固有的拉伸性、超柔性、超轻重量和高功率密度等优点而成为满足这些要求的最有希望的候选者。

因此，开发高效率的本征可拉伸有机光伏器件(is-OPVs)具有重要的实际应用意义。然而，目前is-OPVs的能量转换效率(PCE)却远远落后于那些刚性甚至柔性的OPV器件。为了解决这个问题，浙江大学陈红征教授课题组通过从材料到器件的全面优化，设计并制造了一种顶入射结构的is-OPVs，并实现了16.23%的记录效率。

图1. 底入射与顶入射器件结构对比。在顶入射结构中，由于入射光是从器件的顶部照射，而不用经过器件基底，使得顶入射结构的器件性能与器件基底的光学性能无关，这非常有利于制备柔性/可拉伸有机太阳能电池。

首先，通过添加苯乙烯-乙烯-丙烯-苯乙烯三嵌段共聚物（SEPS）弹性体来增加活性层的拉伸性。在保证良好拉伸性能的情况下，加入5-10% 的 SEPS 对活性层的结晶行为和器件的整体光伏性能影响最小。例如：PM6:L8-BO二元器件的PCE 为19.1%，该活性层断裂伸长率 (COS) 仅为5.7%。但在该活性层中加入5% 的SEPS后，器件的PCE轻微降低到18.5%，活性层的COS则显著增加到13.5%。

图2. (a)活性层的分子结构；(b) 弹性体SEPS的分子结构；（c）不同SEPS含量的活性层的分布模型；(d) 不同SEPS含量的活性层在15%拉伸强度下的光学显微镜图像。

其次，通过导电聚合物/金属（M-PH1000@Ag）复合电极策略增强了不透明电极的拉伸性和导电性。在M-PH1000@Ag复合电极中，M-PH1000提供拉伸性并形成连续的导电网络，而Ag层则提高导电性并提高光利用效率，从而获得更好的器件性能。

图3. 可拉伸不透明电极的拉伸性能。

再次，通过溶剂蒸气退火（SVA）策略精确调节透明电极(AgNWs)基底和分散剂的表面张力，改善了AgNWs透明电极的光电性能。根据热力学第二定律，从有序到无序的转变与熵的增加有关，无序状态或无取向状态在能量上更加有利。通过SVA处理，基底和Ag NWs之间的润湿行为增强，吉布斯自由能必然降低，这可以形成强大的驱动力将银纳米线冻结在无序状态，使其较少受到离心力和流体引起的剪切应力的影响。

图4. (a) 透明电极(AgNWs)的制备流程; (b) 不同处理工艺AgNWs电极的取向分布。

最后，通过进行从材料到器件的全面优化，该工作成功制备了高性能的is-OPV，其PCE达到破纪录的16.2%。此外，通过加入 5%-10% SEPS，在is-OPV 中实现了效率和拉伸性之间的良好平衡。

图5. 本征可拉伸光伏器件性能表征

总之，这项工作为开发高效率is-OPVs提供了有价值的见解，实现了具有低成本和优异柔性的is-OPVs，为OPV的商业化应用提供了巨大潜力。

该工作以“Thorough Optimization for Intrinsically Stretchable Organic Photovoltaics”为题发表在期刊《Advanced Materials》上。浙江大学博士生郑祥均为本文第一作者，浙江大学博士生吴小玲与西安交通大学吴强博士为本文共同第一作者，浙江大学陈红征教授、施敏敏教授、左立见研究员与中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所骆群研究员为本文通讯作者。

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