柔性可持续有机光伏的生物基热固性基底的最新研究进展

贵州大学材料与冶金学院谢海波教授、谢远鹏特聘教授团队、第一作者贵州大学材料与冶金学院2022级硕士研究生田景富，第一完成单位为贵州大学材料与冶金学院高分子材料与工程系。

SE000513 贵州大学谢海波教授、谢远鹏特聘教授团队在AFM杂志发表用于柔性可持续有机光伏的生物基热固性基底的最新研究进展

SE000513 Biobased Thermoset Substrate for Flexible and Sustainable Organic Photovoltaics - Tian - 2024 - Advanced Functional Materials - Wiley Online Library

SE000514 贵州大学首创制备生物基柔性基底新技术！

 该研究针对柔性电子产业可持续发展的需求，设计并制备了基于生物质衍生单体的高性能柔性基底材料，解决了传统石油基聚合物（如PET、PEN等）不可再生、难降解的问题，同时克服了现有生物基基底（如纳米纤维素材料）机械性能不足和环境稳定性差的缺陷。通过创新性地利用木质素衍生单体（丁香酚、香草醛）构建交联网络，实现了基底材料在机械强度、透光率、环境稳定性和可降解性之间的平衡，为柔性有机太阳能电池（OSCs）及其他柔性电子器件提供了可持续的基底解决方案。

1 材料

1.1. 通过硫醇-烯点击化学将芳香族碳酸酯单体（2E）和缩醛单体（4E）与四硫醇交联，形成三元聚（硫醚碳酸酯缩醛）热固性材料，交联密度可调（最高达750.1 mol/m³）。

    1.2. 引入4E显著提升了材料的机械性能（拉伸强度55 MPa）和交联密度，同时保持高透光率（>90%，400-800 nm）和低表面粗糙度（~3 nm）。

2 性能

2.1. 环境稳定性：耐受常规环境条件，避免加工和使用中的降解问题。

2.2. 可降解性：在3 M NaOH、80°C条件下80分钟内完全降解为可回收小分子，符合循环经济理念。

2.3. 器件兼容性：表面均匀性优于商用PET基底，适配柔性OSCs多层结构（电极/活性层等）。

3 应用：

    3.1. 柔性OSCs的功率转换效率（PCE）达15.41%，超越PET基器件，证明其实际应用潜力。

3.2. 柔性光伏领域：作为高性能基底，可直接用于柔性OSCs的大规模生产，推动可穿戴能源设备发展。

3.3. 扩展至柔性电子：适用于柔性显示器、传感器等需要透明、可弯曲基底的器件。

3.4. 绿色材料模板：单体设计和交联策略为其他生物基高分子材料的开发提供参考。

4 进一步优化

4.1. 性能优化：进一步调控单体比例或引入其他功能单体（如动态共价键），以提升材料韧性或自修复能力。

4.2. 规模化生产：探索低成本、高效率的合成工艺，推动工业化应用。

4.3. 降解机制研究：开发更温和的降解条件（如酶催化），扩大回收材料的再利用场景。

4.4. 多场景适配：验证材料在极端环境（高湿、高温）下的稳定性，拓展至航空航天等特殊领域。

该研究通过生物基单体的分子设计与可控交联，实现了柔性基底材料“高性能-可持续性”的统一，为绿色柔性电子产业提供了重要技术路径。未来需聚焦材料体系的多元化开发与规模化生产，以加速其商业化进程。

一 南昌大学陈义旺&谈利承&孟祥川最新AM—应变弛豫调控策略制备高性能柔性准平面异质结有机太阳能电池

光敏薄膜的合理增韧对开发强韧性柔性有机太阳能电池（F-OSCs）至关重要，这类器件性能常受薄膜内机械应变与热力学弛豫的影响。然而，这些特性的潜在决定因素及调控柔性器件整体性能的量化指标尚未被明确定义。
2025年3月26日，南昌大学陈义旺&谈利承&孟祥川等于Advanced Materials刊发应变弛豫调控策略制备高性能柔性准平面异质结有机太阳能电池的最新研究成果。该研究提出一种细晶强化策略：通过聚氧乙烯（PEO）侧链在局部运动中的次级热弛豫，利用氢键相互作用限制自由波动所需体积，从而抑制小分子受体薄膜的过度聚集/结晶行为、非理想热力学状态及残余富集态。该策略使材料屈服强度提升且微裂纹减少，同时提高了给体/受体界面的断裂能。最优F-OSCs器件在0.04 cm²和1.00 cm²面积下分别实现19.12%和16.92%的最佳效率，85℃加热2600小时后仍保持初始效率的80%。器件柔性与机械韧性同步优化，弹性模量与刚度分别降低50.68%和5.71%。
该工作为柔性有机光伏器件效率、机械及环境稳定性的协同提升提供了创新参考，加速其商业化提供了理论支撑。

图1. F-OSCs的增韧机制与光伏参数

图2. BTP-eC9薄膜的热力学与残余应力分析

图3. 成膜动力学与均匀性分析

图4. F-OSCs的机械性能与形貌稳定性

图5. 缺陷态分析与F-OSCs稳定性
R. Gong, Q. Yan, Z. Xing, H. Wang, L. Tan, X. Meng, X. Hu, Y. Chen, A Strain Relaxation Modulation for Printing High-performance Flexible Pseudo-Planar Heterojunction Organic Solar Cells. Adv. Mater. 2025, 2501033. https://doi.org/10.1002/adma.202501033
南昌大学柔性太阳能电池研究突破
SE000518 通过应变弛豫调控实现高性能柔性赝平面异质结有机太阳能电池

SE000519 A Strain Relaxation Modulation for Printing High‐performance Flexible Pseudo‐Planar Heterojunction Organic Solar Cells - Gong - Advanced Materials - Wiley Online Library

1 背景与挑战

  柔性OSCs的光敏薄膜常因机械应变和热力学弛豫导致性能下降，但缺乏量化调控指标。
  本研究通过材料增韧策略解决薄膜脆性、界面断裂及稳定性问题，推动柔性光伏商业化。

2 应对策略：细晶强化与应变弛豫调控

2.1. 引入聚氧乙烯（PEO）侧链，利用其次级热弛豫特性调控薄膜微观结构。

    2.2. 限制分子自由波动体积，抑制小分子受体（如BTP-eC9）的过度聚集/结晶。

2.3. 热力学优化：减少非理想残余富集态，降低薄膜内应力。

3 结果

    3.1. 机械性能：屈服强度提升，微裂纹减少，给体/受体界面断裂能提高。

    3.2. 柔性优化：弹性模量降低50.68%，刚度降低5.71%。

3.3. 性能突破

3.3.1. 高效率：

0.04 cm²小面积器件：19.12%（目前柔性OSCs的最高效率之一）。
1.00 cm²大面积器件：16.92%，展现规模化潜力。

3.3.2. 稳定性：

85℃高温下持续2600小时，效率保持初始值的80%。
机械耐久性：弯曲测试中表现优异（未明确循环次数，但模量降低预示柔韧性提升）。

4 原理

4.1. 通过热力学分析（如DSC、XRD）揭示PEO调控的结晶行为，残余应力降低。

4.2. 成膜动力学显示更均匀的相分离形貌，减少缺陷态

4.3. 纳米压痕测试证实薄膜弹性模量降低，断裂韧性增强。

5 意义与应用

5.1. 理论贡献：首次提出应变弛豫量化指标，为柔性光伏材料设计提供新范式。

5.2. 商业化潜力：通过协同优化效率、柔性和稳定性，推动柔性OSCs在可穿戴设备、建筑光伏等领域的应用。


 该研究通过多尺度调控策略（分子设计、界面工程、力学优化），为柔性光伏器件的性能瓶颈提供了系统性解决方案，是材料科学与器件工程结合的典范。

二 中科院宁波材料所葛子义&陈振宇&宋伟最新EES—巨分子受体中柔性连接链的蝴蝶效应：优化结晶与聚集行为实现机械耐久性提升及二元有机太阳能电池19%效率突破

在柔性有机太阳能电池（OSCs）中实现小分子受体（SMA）与聚合物受体的功率转换效率（PCE）和机械鲁棒性平衡仍具挑战。目前柔性连接链多被引入受体单体的中性位点或末端，但此类体系在二元器件中尚未实现令人满意的能量转换效率。
2025年3月25日，中科院宁波材料所葛子义&陈振宇&宋伟等于EES刊发分子受体中柔性连接链的蝴蝶效应：优化结晶与聚集行为实现机械耐久性提升及二元有机太阳能电池19%效率突破的研究成果，该研究通过在侧链位点引入不同长度的柔性连接链，设计了一系列柔性连接链巨分子受体（GMAs）DSY-C4至DSY-C10。基于优化后的DSY-C10的二元OSCs器件同时实现了高效率（PCE=18.89%）与卓越机械韧性（裂纹起始应变COS=9.95%），创下了高延展性受体的新标杆。侧链连接使分子呈现蝴蝶状构象，柔性连接链降低了空间位阻，显著提升了大分子受体的结晶性与聚集度。因此，PM6:DSY-C10器件表现出优于PM6:DSY-C4体系的短路电流密度（Jsc=27.51 mA cm-2 vs. 26.65 mA cm-2）和填充因子（FF=0.785 vs. 0.728）。更长的柔性连接链还增强了给受体相互作用，使PM6:DSY-C10共混膜的COS值较PM6:DSY-C4（COS=6.04%）提升65%，接近聚合物受体PT-IY的水平。此外，将DSY-C10引入PM6:BTP-eC9二元体系实现了19.91%的效率（认证效率19.39%），凸显了柔性连接链大分子受体在高效率柔性OSCs中的应用潜力。
该研究证明柔性连接链大分子受体为二元OSCs提供了效率与机械性能的 平衡，为开发耐用柔性OSCs开辟了新路径。

Butterfly-effect of Flexible Linker in Giant-molecule Acceptor: Optimized Crystallization and Aggregation for Enhancing Mechanical Durability and Approaching 19% Efficiency in Binary Organic Solar Cells https://doi.org/10.1039/D4EE05456C
中国科学院宁波材料技术与工程研究所葛子义研究员团队在有机太阳能电池（OSCs）领域取得重要进展，通过分子结构设计同时提升了器件效率和稳定性。相关成果分为两部分发表在英国皇家化学会期刊《Energy & Environmental Science》：
中国科学院宁波材料所葛子义&陈振宇&宋伟最新EES—巨分子受体中柔性连接链的蝴蝶效应

中国科学院宁波材料所葛子义&陈振宇&宋伟最新EES—巨分子受体中柔性连接链的蝴蝶效应

SE000520 宁波材料所在柔性有机太阳能电池研究方面取得新进展----中国科学院上海分院

SE000521 Butterfly-effect of Flexible Linker in Giant-molecule Acceptor_ Optimized Crystallization and Aggregation for Enhancing Mechanical Durability and Approaching 19_ Efficiency in Binary Organic Solar Cells - Energy & Environmental Science

I. 背景

I. 1. OSCs优势

    I. 1. 1. 柔性、半透明、轻质、可溶液加工（源于有机π-共轭材料）。

    I. 1. 2. 小分子受体（SMAs）使效率（PCE）突破20%，但**低玻璃化转变温度（Tg）**导致光/热应力下分子聚集，稳定性差。

I. 1. 3. 巨分子受体（GMAs）的潜力

结合SMAs的高效与聚合物受体的稳定性，2022年后成为研究热点。

II. 第一篇研究：硒原子调控的巨分子受体

II.1. 分子设计与合成

II.1.1. 合成4种GMAs：GMA-SSS、GMA-SSeS、GMA-SeSSe、GMA-SeSeSe，通过硒（Se）原子取代硫（S）调控分子结构（图1a）。

II.1.2. GMA-SSeS平面性最优（二面角最小）。

II.2. 关键性能发现

II.2.1. 光学/电化学性能：
 GMA-SeSSe和GMA-SeSeSe因分子内电荷转移增强，吸收峰红移30 nm。

II.2.2. 光伏性能：
 PM6:GMA-SSeS器件效率最高（PCE=19.37%，VOC=0.917 V），优于其他GMAs。
 优势机制：激子解离高效、电荷传输平衡、相分离形貌优、电压损失低（ΔE3=0.246 eV）。

II.2.3. 稳定性突破：
 720小时存储后保持94%初始PCE；100℃下T80寿命达5600小时。

II.3. 分子结构-性能关系

 硒原子调控可优化分子堆叠和混溶能力，实现高效稳定OSCs。

III 第二篇研究：柔性连接链巨分子受体

III.1. 分子设计创新

 设计侧链含柔性连接链的GMAs（DSY-C4至DSY-C10），形成蝴蝶状构象。
 DSY-C10柔性链最长，显著提升结晶性和聚集行为。

III.2. 性能突破

III.2.1. 效率与机械性能协同提升：

        III.2.2. DSY-C10基二元器件：PCE=18.89%，裂纹起始应变（COS）=9.95%（图未展示）。

        III.2.3. 三元体系（PM6:BTP-eC9:DSY-C10）效率达19.91%（认证19.39%）。

    III.2.4. 机制：长柔性链增强给受体相互作用，机械性能接近聚合物受体（如PT-IY）。

III.3. 科学意义

首次通过柔性连接链设计打破效率-机械性能的权衡，为柔性OSCs商业化提供新思路。

IV 两篇研究的共同贡献

IV.1. 分子设计策略

    IV.1.1. 硒原子调控（精确控制分子平面性） vs. 柔性连接链（优化结晶与机械性能）。

IV.1.2. 性能里程碑

 二元OSCs效率均接近19%，同时解决稳定性或机械耐久性问题。

IV.1.3. 应用前景

 为可溶液加工、柔性光电器件提供可扩展的材料设计范式。

V 论文信息

标题1：Well-regulated structure-featuring giant-molecule acceptors enable long-term stability and high-performance binary organic solar cells

期刊：Energy Environ. Sci., 2024, DOI: 10.1039/D4EE03754E

标题2：Butterfly-effect of Flexible Linker in Giant-molecule Acceptor: Optimized Crystallization and Aggregation for Enhancing Mechanical Durability and Approaching 19% Efficiency in Binary Organic Solar Cells
期刊：Energy Environ. Sci.

VI 核心结论

IV.1.1：硒原子位置与数量影响分子平面性（GMA-SSeS最优）。

IV.1.2：GMAs的光学/堆叠特性与硒取代直接相关。

IV.1.3：GMA-SSeS器件效率与均一性最佳。

IV.1.5：GMA-SSeS器件稳定性显著优于其他GMAs。

三 苏州纳米所骆群/马昌期&北京航空航天大学孙艳明&郑州大学郭丰启最新AM—基于非卤溶剂的100 cm²全卷对卷凹版印刷柔性有机太阳能电池实现约90%的组件效率保持率

单片器件到大面积组件的效率保持率（CTM）是评估有机太阳能电池（OSCs）规模化潜力的关键指标。目前当组件面积超过100 cm²时，CTM值仍处于较低水平。
2025年3月17日，苏州纳米所骆群/马昌期&北京航空航天大学孙艳明&郑州大学郭丰启等于Advanced Materials刊发基于非卤溶剂的100 cm²全卷对卷凹版印刷柔性有机太阳能电池实现约90%的组件效率保持率的最新研究成果。该研究本揭示了溶剂在印刷过程中的双重作用：一方面通过墨水流变特性影响大面积成膜均匀性，另一方面通过挥发速率和结晶动力学调控相分离行为。实验证明，TMB溶剂因挥发速度慢、粘附力低导致垂直印刷方向出现纯相富集和印刷线缺陷；甲苯（Tol）体系则因表面粘附力过大沿印刷方向产生线缺陷。相比之下，非卤溶剂邻二甲苯（o-XY）能形成适宜的相分离尺寸和优异的大面积均匀性。基于此，全印刷制备的1 cm²柔性OSCs实现14.81%效率，28-104 cm²组件的效率均超过13%且CTM达0.9。

该工作表明，选择合适非卤溶剂以实现>100 cm²组件的均匀成膜与优化相分离形貌，对柔性OSCs产业化至关重要。





S. Yang, X. Chen, Y. Pan, J. Fang, Y. Han, Z. Wang, F. Qian, W. Qi, K. Shui, Q. Zhang, F. Guo, Y. Sun, C.-Q. Ma, Q. Luo, High Cell to Module Efficiency Remaining Ratio of ≈90% for the 100 cm2 Fully Roll-to-Roll Gravure Printed Flexible Organic Solar Cells From Non-Halogenated Solvent. Adv. Mater. 2025, 2500115. https://doi.org/10.1002/adma.202500115
基于非卤溶剂的100 cm²全卷对卷凹版印刷柔性有机太阳能电池实现约90%的组件效率保持率

苏州纳米所骆群/马昌期&北京航空航天大学孙艳明&郑州大学郭丰启最新AM—基于非卤溶剂的100 cm²全卷对卷凹版印刷柔性有机太阳能电池实现约90%的组件效率保持率

SE000524 High Cell to Module Efficiency Remaining Ratio of ≈90_ for the 100 cm2 Fully Roll‐to‐Roll Gravure Printed Flexible Organic Solar Cells From Non‐Halogenated Solvent - Yang - Advanced Materials - Wiley Online Library

1 背景与问题

    单片器件到大面积组件的效率保持率（CTM）是评估有机太阳能电池（OSCs）规模化潜力的关键指标。

    目前，当组件面积超过100 cm²时，CTM值仍处于较低水平。

2 研究突破

    2.1. 团队与期刊：苏州纳米所骆群/马昌期、北京航空航天大学孙艳明、郑州大学郭丰启等合作，于2025年3月17日在《Advanced Materials》发表最新成果。

    

2.2. 核心发现：基于非卤溶剂的全卷对卷凹版印刷柔性OSCs，实现100 cm²组件效率保持率约90%（CTM=0.9）。

2.2.1. 溶剂的关键作用

    2.2.1.1. 双重影响机制：

        2.2.1.1.1. 流变特性：影响大面积成膜均匀性。

        2.2.1.1.2. 挥发速率与结晶动力学：调控相分离行为。


    2.2.1.2. 不同溶剂对比：

        2.2.1.2.1. TMB溶剂：挥发慢、粘附力低，导致垂直印刷方向出现纯相富集和线缺陷。

        2.2.1.2.2. 甲苯（Tol）：表面粘附力过大，沿印刷方向产生线缺陷。

        2.2.1.2.3. 邻二甲苯（o-XY）（非卤溶剂）：形成适宜相分离尺寸和优异的大面积均匀性。

2.2.2. 成果

    2.2.2.1. 小面积器件：全印刷1 cm²柔性OSCs效率达14.81%。

    2.2.2.2. 大面积组件：28–104 cm²组件效率均超过13%，CTM达0.9。

2.2.2.3. 产业化意义
 通过选择合适的非卤溶剂（如o-XY），可同时实现>100 cm²组件的均匀成膜和优化相分离形貌，对柔性OSCs产业化至关重要。

3 论文信息

    作者：Shutao Yang等（通讯作者：骆群、马昌期、孙艳明、郭丰启）。

发表时间：2025年3月17日。
DOI：10.1002/adma.202500115。

4 关键创新点

4.1. 首次揭示溶剂在印刷过程中的双重作用机制（流变+相分离动力学）。

4.2. 提出非卤溶剂o-XY的优化方案，突破大面积组件效率保持率瓶颈。

4.3. 全印刷工艺兼容柔性制备，为OSCs产业化提供可行路径。

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