有机光伏（OPV）因其半透明、质轻、可溶液加工和柔性等特点备受关注，在柔性可穿戴电子领域展现出巨大应用潜力。然而，面向可穿戴应用，OPV不仅需要优异的光伏性能，还需具备良好的机械性能。目前，OPV的能量转换效率（PCE）已突破20%，但活性层材料较大的共轭结构通常导致薄膜断裂伸长率低于10%，制约了其柔性应用的发展。因此，如何在不牺牲效率的前提下，提高其拉伸性能，成为实现柔性OPV应用的关键。
现有方法（如在聚合物主链中引入柔性间隔基或共混弹性体）常以牺牲器件PCE为代价。相比之下，采用小分子溶剂添加剂调控形貌具有显著优势：无需复杂分子合成，工艺简化且成本降低；更重要的是，可通过精准选择添加剂种类、优化浓度比并控制溶剂挥发动力学，有效调控给/受体材料的结晶行为和相分离。尽管溶剂添加剂在提升光伏性能方面应用广泛，但将其用于增强机械性能的系统研究及机理探索仍显不足。
近日，程沛特聘研究员团队提出一项创新策略，利用1-氯十六烷（Cl-16C）调控PM6分子的结晶取向。Cl-16C成功诱导PM6分子排列从面取向转变为双峰取向，形成多向晶畴。这种微观结构能通过分子再取向和晶畴扭曲有效耗散应力，同时结晶区域充当物理交联点抑制裂纹扩展，显著提升薄膜拉伸性能。优化后的PM6/BTP-eC9 OPV器件实现了19.7%的高PCE，同时机械稳定性大幅提升，经Cl-16C处理的PM6薄膜断裂伸长率达37%，是未处理薄膜（10%）的3.7倍。该研究为提升有机半导体薄膜的断裂伸长率提供了普适性方法，有力推动了柔性可穿戴OPV的发展。
要点1：Cl-16C对多种给体材料薄膜的拉伸性能提升效果显著。（图1）
图1 (a) 共轭聚合物PM6、PBQx-TCl、PTB7-Th、PTQ10以及添加剂Cl-16C的化学结构式。(b) 使用水上薄膜拉伸测试获得的有无Cl-16C处理的不同给体薄膜的应力-应变曲线。(c)不同应变下，PDMS基底上有无Cl-16C处理的PM6薄膜的光学显微镜图像。
要点2：形貌表征揭示Cl-16C诱导分子取向从面取向向双峰取向的转变。（图2）
图2(a) 有无Cl-16C处理的PM6膜的AFM高度图和(b)TEM图。GIWAXS(c) 有无Cl-16C处理的PM6薄膜的二维和(d) 一维图，(e)层状峰的极图， (f)层状峰对应的g值， (g)Cl-16C加入后薄膜中取向变化的示意图。
要点3：GIWAXS研究薄膜拉伸过程中的形貌演变，阐明Cl-16C提升薄膜拉伸性能的机理：Cl-16C诱导的双峰取向形成多方向晶畴，促进应力在晶粒间传递分布（避免局部集中），并通过分子再取向、晶畴扭转耗散应力；同时，结晶区域充当物理交联点。这些协同效应共同提升了薄膜拉伸性能。（图3、图4）
图3(a) 用于GIWAXS表征的不同应变下薄膜的制备过程示意图。(b)在两个方向上α=0°和α=90°对不同应变下的薄膜进行GIWAXS表征。在(c)α=0°和(d)α= 90°方向下，不同拉伸应变的未经Cl-16C处理的PM6薄膜的GIWAXS二维图。在(e)α=0°和(f)α=90°方向下，不同拉伸应变的有Cl-16C处理的PM6薄膜的GIWAXS二维图。
图4(a)在α=0°和(b)α=90°时，层状峰的d间距随拉伸应变的变化。(c)在α=0°和(d)α=90°时，层状峰的结晶相干长度 (CCL)随拉伸应变的变化。(e) 采用Cl-16C处理提高薄膜拉伸性能的机理示意图。
要点4：普适性验证：Cl-16C显著提升多种给/受体双层薄膜的拉伸性能。（图5）
图5使用水上薄膜拉伸测试方法获得的(a)PM6/PY-IT，(b)PM6/L8-BO，(c)PM6/BTP-eC9，(d)PTQ10/BTP-eC9，(e)PBQx-TCl/BTP-eC9和(f)PTB7-Th/BTP-eC9薄膜的应力应变曲线。(g)不同的应变下，在PDMS基底上的有无Cl-16C处理的PM6/BTP-eC9薄膜的光学显微镜图像。
要点5：器件光伏性能：Cl-16C处理的器件实现PCE提升（PM6/BTP-eC9: 19.7%；PM6/PY-IT: 16.0%），载流子动力学揭示效率提升原因（激子解离效率更高，电荷复合更少）。（图6、表2）
图6 (a)OPV器件结构示意图。(b)基于PM6/BTP-eC9的OPV器件的J-V曲线和(c)相应的EQE曲线。(d)基于PM6/PY-IT的OPV器件的J-V曲线和(e)相应的EQE曲线。(f)基于PM6/BTP-eC9的OPV器件的Jph-Veff曲线。(g)，(h)基于PM6/BTP-eC9的OPV器件的TPV和TPC衰减动力学曲线。
表 2 有无Cl-16C处理的OPV器件的光伏性能参数
a括号内为八个独立器件的平均值。b根据EQE进行积分。
要点6：GIWAXS 和GISAXS研究PM6/BTP-eC9双层膜形貌。Cl-16C提高薄膜有序性，增大给受体相分离。（图7）
图7 GIWAXS (a) 分别为有无Cl-16C处理的PM6/BTP-eC9薄膜的二维和 (b) 一维图。GISAXS (b) 分别为有无Cl-16C处理的PM6/BTP-eC9薄膜的二维和 (d) 一维图。灰色实线为使用通用模型的拟合曲线。
该工作以“Stress-dissipative strong bimodal molecular packing towards efficient and highly stretchable organic photovoltaics”为题发表于Energy & Environmental Science (DOI: 10.1039/d5ee01828e)。MG电子-MG电子游戏-MG电子官网 2023级硕士研究生朱家园为论文第一作者，程沛特聘研究员、严岑琪特聘副研究员、李鸿祥副研究员为论文通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委、四川省科技厅和高分子材料工程国家重点实验室项目资助。
论文链接：//doi.org/10.1039/D5EE01828E
撰稿：严岑琪
编辑：曲韵嘉
审核：李乙文
