人类需要开发可靠的光伏系统以控制可持续能源来缓解目前面临的能源危机和环境问题。其中，确保PSCs高效和机械稳定性是下一代可穿戴和便携式设备电源商业化的必要前提。得益于近年来基于苯并二噻吩BDT主体聚合物给体和Y系列小分子受体SMAs的发明，PSCs的光电转换效率PCE已经显著的提高到17-18%。然而，这些高效率的PSCs的机械性能却不足以保证它们能在柔性设备中应用。例如，大多数最先进的P_D–SMA共混物具有脆性力学性能，裂纹起始应变(COS)＜5%。因此，迫切需要在保持高PCE的同时提高PSC的机械稳定性。

因此，Bumjoon J. Kim课题组通过在PM6中引入FS单元1,10-二(噻吩-2-基)癸烷，开发的一系列P_Ds(PM6-CX，其中X表示FS含量=5,10,20和30 mol%)表现出高的光伏性能和好的机械延展性。尤其是基于PM6-C5 和 PM6-C10(其中少量(5和10 mol%)刚性苯二硫代二酮(BDD)单元被FS单元取代)的PSCs的PCE可达~17%，超过了PM6：Y7的对照器件(PCE = 15%)。同时PM6-C5:Y7混合膜的机械强度显著提高至COS为12%，韧性3.67 MJ m^-3，内聚断裂能(Gc)为2.1 J m^-2,分别是PM6:Y7的6倍、14倍和2倍。在这项工作中，研究发现，通过引入适量的FS单元，可以改善共混物中P_D和SMA之间的混合，从而提供足够的电荷渗流和机械应力分散通道。通过差示扫描量热法(DSC)和共振软X射线散射(RSoXS)的测量结果表示与其他共混物相比，性能最好的含有PM6-C5或PM6-C10的共混物明显表现出具有较低畴纯度的晶体生长受到抑制。

如图1a所示，为了系统地降低PM6的骨架刚度并优化SMA的共混形态，引入了一种长FS作为第三组分，选择长的癸基脂肪族链为P_D提供足够的柔韧性，同时不影响P_D的链间相互作用和电性能。所有P_Ds的数均分子量(M_ns)在相近的范围内(27-31 kg mol^-1)，将分子量对其材料性能的影响降至最低。为研究FS单元对P_Ds聚集特性的影响，研究了P_Ds在氯苯溶液中随温度变化的紫外-可见吸收光谱，含有少量FS单元的PM6-C5 和PM6-C10 P_Ds 表现出与PM6相似的温度依赖聚集性能(TDA)，它们显示出与PM6几乎相同的最大吸收波长(λ_max)值，即使在高温下，它们的0-0跃迁峰也比0-1跃迁峰更显著(图1b)。在PM6-C20和PM6-C30中由于存在过多的FS单元，这会减少有效共轭长度并干扰PM6-C20和PM6-C30中的链内电荷转移(图1c)。

图1 (a) Ds和SMA的化学结构 (b) CB溶液中P_Ds随温度变化的紫外-可见吸收光谱 (c) P_Ds的堆积结构示意图

该工作在正向器件中表征了各种P_Ds对PSC器件性能的影响。基于PM6-C5和PM6-C10的PSCs的PCEs分别是16.7%和17%高于PM6:Y7的PSCs的PCEs，如图2a和表2所示，图2b所示的EQE图表示J-V曲线仅有4%的误差范围。与其他共混物相比，PM6-C5和PM6-C10共混物在P_Ds(400–600 nm)和Y7(700–900 nm)的吸收范围内表现出更高的EQE响应,而PM6-C20和PM6-C30共混物在整个吸收范围内表现出较低的EQE响应。这些结果与PSC器件的Jsc趋势非常吻合。在图2c和d中可以得到，由于PSC中的电荷复合影响其Jsc和FF，因此与其他共混物相比，PM6-C5和PM6-C10共混物的复合特性使得其相应器件有更高的Jsc和FF值。

表2依赖P_D的PSC光伏性能

图2(a)J–V曲线(b) EQE反应谱(c)Voc和(d)Jsc对PSC光强度的依赖性

在图3a和c中的S-S曲线中得到PM6-C5:Y7和PM6-C10:Y7共混物的拉伸性能显著增强。图3d中的示意图显示了共混物的不同形态和力学行为。不含FS单元或FS含量过高的P_Ds(PM6-C0、PM6-C20和PM6-C30)的共混物在P_D和SMA区域之间有相当大的相分离，从而获得了更高的区域纯度。孤立的和纯的区域使得自由电荷很难跳跃到其他区域中，导致混合物中的电荷迁移率降低和电荷复合增加，相比之下，PM6-C5:Y7和PM6-C10:Y7共混物表现出显著改善的共混物形态，P_D和SMA的混合域比例更大，这些共混物中的机械应力可以通过更好的混合区域有效地消散。

图3 (a) PD:Y7共混物的S–S曲线 (b) PSC共混物的PCE与COS曲线图 (c) 拉伸过程中PM6:Y7和PM6-C5:Y7薄膜 图 (d) 各种P_D的不同混合形态。

总之，PM6-C5和PM6-C10中的少量FS单元显著改善了P_D–SMA共混物的形态，并限制了P_D和SMA微晶的过度生长，同时不影响高效PSC的任何有利性能，如预聚集性能和空穴迁移率，这导致了良好的渗流路径的形成和电荷复合的抑制。该工作明确表示，通过简单地修改分子结构，可以同时提高光伏性能和机械可靠性，使PSC更接近用作柔性/可伸缩电子设备的电源。

原文链接：https://doi.org/10.1039/D1EE01062J（点击阅读全文可直达文章出版处）

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本文部分引用自“北化工柔性有机光伏研究组”微信公众号文章https://mp.weixin.qq.com/s/T6VX03i1lkGo4BnXFuIy-A