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  便攜式可穿戴設(shè)備在人體健康監(jiān)測、人機(jī)交互和醫(yī)療保健等方面具有巨大的應(yīng)用潛力。除了基本的功能外，便攜式可穿戴設(shè)備在實際場景中還需要優(yōu)異的機(jī)械性能，如柔韌性、可拉伸性甚至可附著性。在現(xiàn)有的可穿戴電源技術(shù)中，全聚合物有機(jī)太陽能電池（OSCs）憑借優(yōu)異的力學(xué)性能與光伏性能，展現(xiàn)出無與倫比的應(yīng)用潛力。然而聚合后的小分子受體仍保留了小分子的部分力學(xué)性能和聚集性能，無法滿足柔性器件的延展性要求。此外，柔性器件的PCE仍然滯后于剛性器件，并缺乏權(quán)威可靠的第三方認(rèn)證，這無疑制約了柔性OSCs的實際應(yīng)用，導(dǎo)致推廣應(yīng)用過程相對緩慢。因此，同時獲得高光伏性能和優(yōu)異的拉伸性能仍然是OSCs面臨的巨大挑戰(zhàn)。

  2024年12月10日，相關(guān)成果以“Synergistic Multimodal Energy Dissipation Enhances Certified Efficiency of Flexible Organic Photovoltaics Beyond 19%”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上。論文的第一作者為南昌大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院博士生李豪杰，通訊作者為南昌大學(xué)陳義旺教授和胡笑添教授。

圖1 柔性器件的材料特性及光伏特性表征。（a）活性層材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)。（b）不同彈性體材料在活性層膜中的混相以及加入后柔性器件的最佳PCE。（c）華南計量中心基于0.102 cm²柔性器件的J-V特性曲線。（d）本研究中柔性器件認(rèn)證PCE與2020年至2024年間報告文獻(xiàn)的對比�；�25cm²。（e）柔性襯底和（f）可貼附式襯底模組的J-V特性曲線。（g）模組PCE隨MPP跟蹤試驗時間。（h）模組示范應(yīng)用的數(shù)碼照片。

圖4 薄膜中殘余應(yīng)力的下降有助于缺陷態(tài)密度的降低。（a）不同PU含量的活性層膜的GIWAXS二維圖。（b）不同PU含量的活性層膜在相同彎曲次數(shù)下的XRD特征峰移圖。（c）器件的阱態(tài)密度（tDOS）。（d）機(jī)械性能和光電性能共同提升的機(jī)理示意圖。

  根據(jù)對活性層薄膜性能的分析，熱塑性彈性體的增韌增效機(jī)理如圖4d所示。在微觀層面上，PU的加入有利于在活性層膜內(nèi)構(gòu)建多纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)載流子輸運性能，從而提高光伏性能。此外，當(dāng)薄膜受到應(yīng)變時，這種多纖維網(wǎng)絡(luò)有助于有效耗散和傳遞能量，防止應(yīng)力集中。在介觀層面上，PU在給體/受體界面處起到“分子彈簧”的作用，增強(qiáng)了給體/受體之間的相互連接，使膜裂縫的擴(kuò)展最小化，并耗散了界面處應(yīng)變產(chǎn)生的能量。從宏觀上看，PU的加入降低了活性層薄膜中的殘余應(yīng)力，提高了薄膜的力學(xué)性能，同時降低了缺陷態(tài)密度和載流子復(fù)合。簡而言之，PU的加入有助于構(gòu)建光纖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低殘余應(yīng)力，從而改善載流子輸運性能和多模態(tài)能量耗散。這種協(xié)同效應(yīng)最終提高了柔性器件的光伏和機(jī)械性能。

  上述研究工作得到國家自然科學(xué)基金、江西省“雙千計劃”科技創(chuàng)新高端人才項目，以及北京大學(xué)長三角光電科學(xué)研究院等單位的支持。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202411989