2025年6月11日，青岛大学材料科学与工程学院/功能染料与技术研究院王逸凡副教授、薄志山教授、刘亚辉教授团队与美国西北大学Tobin J. Marks、Antonio Facchetti教授团队合作在Joule期刊上发表一篇题为“High-Efficiency, Ultra-flexible Organic Solar Cells Enabled by Chloroprene Rubber as Both a Non-volatile Solid Additive and Plasticizer”的研究成果。

该研究首次将含卤素原子和双键的氯丁橡胶作为固体添加剂和增塑剂引入到活性层中，同时提高了器件的光伏性能和机械性能。论文通讯作者是王逸凡、李鸿祥、刘亚辉、Antonio Facchetti、薄志山、Tobin J. Marks；共同第一作者是韦正栋、王逸凡。

有机太阳能电池（OSCs）相比于传统的硅太阳能电池具有许多优势，包括机械柔韧性、低成本的可扩展制造、光吸收的可调性等。在应用方面，OSCs的优势不仅使得制备轻便且可弯曲的太阳能电池成为可能，还能将太阳能电池运用到更广泛的领域，如可穿戴设备、电子皮肤和植入式医疗监测器。然而有机半导体由π-共轭芳香核/骨架构成，具有强烈的链内和链间π-π相互作用，形成有序的排列和结晶，这导致薄膜在受到外界拉伸应力时容易发生断裂。为了提高薄膜的拉伸性能，其中一种策略是将绝缘弹性体作为增塑剂引入到活性层中，来提高薄膜的机械韧性。然而绝缘性质的弹性体加入会降低电荷传输使得光伏性能下降，如何在不牺牲光伏性能情况下提高机械性能是目前的研究重点问题。为了解决这一问题，研究团队将氯丁橡胶（CR）引入到活性层中。由于CR中卤素与双键的存在，CR与D18聚合物给体之间形成了分子间相互作用（包括卤素相互作用与π-π相互作用），这些相互作用增强了D18分子的堆积，并形成了一个互锁的三维网络，从而同时提高了器件的光伏性能（在少量添加下）与机械延展性。因而CR同时充当了固体添加剂和增塑剂的作用。

分子相互作用及分子构象

图1：分子结构及分子间相互作用研究。

为了揭示CR与给体D18的作用机理，研究团队采用了多种先进的表征技术，包括接触角测试、XPS光谱、分子动力学模拟（MD）、密度泛函理论（DFT）计算等。研究发现，CR分子倾向于分布在富D18区域，且CR和D18之间存在着非共价相互作用。由卤素（CR-Cl与D18-N/S之间）和π-π相互作用驱动，形成了三维非共价交联网络，这有助于器件光伏性能以及机械性能的提升。

薄膜形貌

图2：薄膜形貌相关表征。

为了进一步探究氯丁橡胶对器件光伏性能以及机械性能的作用机理，研究团队采用了多种表征，包括原子力显微镜、同步辐射散射技术、紫外-可见光吸收测试等。研究发现不同含量CR的加入主要对D18聚集造成影响。CR的加入促进了D18的聚集，使得层状堆积增强。

光伏性能及机械性能

图3：光伏性能表征。

采用Glass/ITO/PEDOT:PSS/活性层/PDINN/Ag结构制备刚性器件，采用Parylene/ITO/PEDOT:PSS/活性层/PDINN/Ag/Parylene制备超柔性器件。在刚性器件中加入5wt% CR（相比于D18的质量分数）后功率转化效率（PCE）从18.49%提升至了19.25%，在超柔性器件中加入5wt% CR（相比于D18的质量分数）后PCE从16.26%提升至了16.91%。在加入少量CR后，电子和空穴迁移率都得到提升，迁移更加平衡，电荷传输性能得到改善，这有利于光伏性能的提升。即使在加入50wt% CR后，PCE仍能保持在16%左右。

图4：机械性能表征。

氯丁橡胶的加入也提高了活性层的机械性能，应力-应变曲线表明随着氯丁橡胶含量的增加，断裂应变值也随之增大，在加入130wt% CR后，断裂应变值达到68.7%。在预拉伸200%的VHB弹性体上释放器件进行弯曲循环测试，在经过5000次循环后，加入5wt% CR器件的机械稳定性得到了显著提升，经历5,000次循环后仍能保持初始PCE的79.8%。含有20wt% CR的设备表现出最高的机械稳定性，PCE保留率为89.9%。

该工作指明，将氯丁橡胶引入到活性层中，在保持光伏性能的同时，显著提升了OSCs的机械性能，从而促进了OSCs在可穿戴设备及相关领域的应用。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101996