近年来，随着可穿戴电子设备市场的增长，对可穿戴发电设备的要求也越来越严格。有机太阳能电池因其具有重量轻、设计性强和便于加工的特点而成为柔性电源的理想解决方案。然而，相较于目前光电转化效率已经超过19%的刚性有机太阳能电池，柔性有机太阳能电池在光电转化效率以及力学性能上仍然存在不足。因此开发具有高光电转化效率和高力学稳定性的柔性有机太阳能电池仍然极富挑战。近日，中科院宁波材料所葛子义研究员课题组在该研究领域取得了新进展（Advanced Materials, 2023, DOI: 10.1002/adma.202305562）
寡聚物受体在有机太阳能电池领域内的应用
有机太阳能电池活性层主要分为给体与受体材料，依赖于两者的不同能级与吸收光谱，吸收的光能得以在活性层中转变为电能。目前主流的受体材料以邹应萍教授课题组开发的“Y”系列非富勒烯受体为代表。通过桥联单元将几个受体连接起来合成的寡聚物受体是近来出现的一种新型非富勒烯受体。与聚合物受体相比，它具有结构明确、批次间稳定性好等优点。此外，寡聚物受体还能显著提高玻璃化转变温度，降低分子扩散动力学，从而形成稳定的活性层形貌，使有机太阳能电池显示出优异的光稳定性和热稳定性。最近，黄飞教授课题组通过合成不同聚合度的寡聚物受体，制备了光电转化效率超过15%的有机太阳能电池。并且通过推算得到电池保持超过80%初始效率的使用时间超过了25000个小时。此外，Yun-Hi Kim教授课题组也通过合成使用苯并二噻吩单元作为桥联单元的寡聚物受体制备了光电转化效率超过18%的二元有机太阳能电池。但是，目前有关寡聚物受体的研究主要集中于其对于提高有机太阳能电池光电转化效率以及光/热稳定性的作用上，将其应用于柔性有机太阳能电池以提高机械性能的研究还少有报道。最近，葛子义课题组通过使用不同的柔性桥联链段，合成了一系列具有不同桥联单元和聚合度的寡聚物受体材料（DOY-C2，DOY-C4和TOY-C4）。由于聚合度和桥联单元柔性的不同，这些寡聚物受体也表现出了不同的力学性能与堆积行为。同时，相较于传统的小分子受体材料N3，柔性寡聚物受体表现出了明显更好的力学性能。图二：聚合物给体D18，小分子受体N3，寡聚物受体材料结构（图片来源：Advanced Materials）
为探究寡聚物受体作为第三组份对于有机太阳能电池效率的影响，作者制备了相应的刚性电池器件。通过对电池各种参数的表征测试，作者发现，寡聚物受体掺入后主要通过降低有机太阳能电池中的非辐射能量损失进而提高电池的开路电压。其中基于D18:N3:DOY-C4的器件表现出了19.01%的刚性光电转化效率和17.91%的柔性光电转化效率。图三：电池光电转化效率及相关参数表征结果（图片来源：Advanced Materials）
随后，作者又对活性层材料进行了拉伸测试。相较于D18:N3混合膜表现出的7.8%的断裂拉伸率，掺杂15%寡聚物DOY-C4后的混合膜则表现出了接近12%的断裂拉伸率，同比增长超过50%。通过对不同薄膜拉伸后形貌的分析，作者认为柔性寡聚物受体能够与聚合物给体之间形成类缠结的行为，这种行为导致了薄膜力学性能的显著增长。图四：不同薄膜拉伸后断裂以及拉伸后松弛图（图片来源：Advanced Materials）
总之，葛子义课题组通过使用柔性链段连接小分子受体制备了一系列柔性寡聚物。通过三元掺杂的策略同时提高了有机太阳能电池的光电转化效率以及力学性能，为制备高效柔性有机太阳能电池提供了一种简单有效的策略。该研究成果发表于国际材料领域权威期刊《先进材料》（Advanced Materials）。该论文共同第一作者为中科院宁波材料所博士研究生叶勤睿和陈振宇，通讯作者为中科院宁波材料所博士后宋伟和葛子义研究员。研究工作得到了国家自然科学基金、国家杰出青年科学基金、宁波市重点科技项目与浙江省自然科学基金的资助。葛子义，中科院宁波材料所二级研究员、博导，国家杰出青年基金获得者、英国皇家化学会会士，浙江省能源光电子工程研究中心主任。1999年本科毕业于兰州大学，2004年博士毕业于中科院化学所，2005年至2009年分别在日本东京工业大学、神奈川大学和澳大利亚新南维尔士大学从事博士后研究。2009年受聘于华东理工大学教授。2010年加入中科院宁波材料所，目前主要从事有机/钙钛矿太阳能电池和OLED等研究。近年来在Nature Photonics、Chem. Soc. Rev.、Joule、Adv. Mater.、Angew. Chem.、EES、Chem、Matter等期刊上发表SCI论文230余篇，申请发明专利50多项。撰写Springer出版社等中英文专著4部。先后主持包括国家重点研发计划项目、基金委联合基金重点项目、5项国家自然基金面上等。获得2016年“中国光学重要成果奖”、2018年度浙江省自然科学二等奖（排名第一）、2021宁波市十佳“科技追梦人”、2022年浙江省有突出贡献中青年专家等，入选2022年全球顶尖科学家排行榜。先后担任Science China Chemistry、The Innovation、InfoMat、Interdisciplinary Materials、ES Energy & Environments、Energy Materials等七本期刊编委，兼任浙江省材料研究学会常务理事、浙江省青年高层次人才协会常务理事、有机光电材料与器件国际会议（ICOOE）大会主席。60多次受邀做国内外著名学术会议邀请报告。
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