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  柔性是有機太陽能電池（OSCs）最顯著的特征之一。柔性OSCs具有輕質(zhì)、機械靈活等優(yōu)點，在可穿戴和便攜式電子設(shè)備方面顯示出巨大的應(yīng)用前景。近年來，優(yōu)化透明電極、活性層材料和器件結(jié)構(gòu)的協(xié)同努力已將柔性OSCs的能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）提高到14-17%。柔性聚合物基底是柔性OSCs的關(guān)鍵組成。目前，常用的柔性基底有PET、PEN、PI等，它們在透光率、表面質(zhì)量和機械柔性方面的綜合表現(xiàn)使得它們在柔性OSCs領(lǐng)域取得顯著進展。然而，這些塑料基底通常是不可再生的石油基合成聚合物，不符合可持續(xù)發(fā)展和綠色社會的需求。生物基基底被認(rèn)為是柔性電子產(chǎn)品中石油基基底的一種理想的替代品。例如，由納米纖維素所制備的CNC基底和CNF基底，它們的平均透射率和表面質(zhì)量可以與商用塑料基底相媲美，但所獲得的OSCs的PCE遠低于10%。此外，納米纖維素基底的脆性和水分散性無法在加工及使用過程中抵抗外力和溶劑侵蝕。因此，通過生物基可再生資源設(shè)計合成穩(wěn)定、高強度的柔性基底材料仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。

  近日，貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院謝海波教授，謝遠鵬特聘教授團隊利用生物質(zhì)木質(zhì)素衍生單體設(shè)計合成了具有α，ω-二烯官能團的可聚合芳香族碳酸酯單體（2E）和具有α，Ω-四烯官能團的芳香族縮醛單體（4E）。隨后通過與四硫醇單體（4SH）進行硫醇-烯聚合反應(yīng)合成一系列柔性熱固性聚合物基底。通過改變4E單體的含量，優(yōu)化三元熱固性基底的綜合性能，獲得具有優(yōu)異機械性能，透過率，光滑表面，熱穩(wěn)定的生物基柔性基底，并運用于柔性有機太陽能電池，器件獲得了15.41%的最佳PCE。以“Biobased Thermoset Substrate for Flexible and Sustainable Organic Photovoltaics”為題在《Advanced Functional Materials》上發(fā)表。文章通訊作者為謝海波教授和謝遠鵬特聘教授，第一作者為貴州大學(xué)碩士研究生田景富，第一完成單位是貴州大學(xué)高分子材料與工程系。

  論文利用生物質(zhì)木質(zhì)素衍生單體丁香酚和香草醛，設(shè)計了具有α，ω-二烯官能團的可聚合芳香族碳酸酯單體（2E）和具有α，Ω-四烯官能團的芳香族縮醛單體（4E）。隨后通過與四硫醇單體（4SH）進行簡單的硫醇-烯點擊聚合反應(yīng)合成一系列柔性熱固性基底。4E具有更高的烯基官能度和剛性，調(diào)控2E和4E的比例可以調(diào)控三元熱固性基底的交聯(lián)密度，獲得不同的熱、力、光學(xué)性能（圖1）。隨著4E含量的提升，三元熱固性基底的交聯(lián)密度和拉伸強度增大，但透過率和斷裂伸長率略有降低。當(dāng)4E含量為30%時，三元熱固性基底的交聯(lián)密度為750.1 mol m^-3，在400-800 nm波長范圍的平均透過率大于90%，擁有55 MPa的優(yōu)異拉伸強度（圖2）。此外，硫醇-烯熱固性基底擁有均勻的表面形態(tài)，表面粗糙度約為3 nm。為更好地沉積柔性電子器件的后續(xù)層（電極、界面層和活性層，通常厚度在幾十到幾百納米之間）提供了良好的應(yīng)用條件。硫醇-烯熱固性基底在常規(guī)環(huán)境中具有優(yōu)異的長期穩(wěn)定性，在80oC的3 M NaOH水溶液中80 min內(nèi)可以完全降解為小分子。三元硫醇-烯熱固性基底使用時穩(wěn)定且使用后可降解處理，避免對環(huán)境造成污染。優(yōu)化的三元硫醇-烯熱固性基底應(yīng)用于柔性OSCs。構(gòu)建柔性基底/PH1000/PEDOT:PSS/PM6:BTP-eC9/PNDIT-F3N/Ag器件結(jié)構(gòu)的柔性OSC。基于三元熱固性基底的OSC獲得15.41%的PCE值，V_OC、FF和J_SC分別為0.84 V，73.07%和25.24 mA cm^-2，優(yōu)于PET基柔性OSC（圖3）。這項研究為優(yōu)化生物基柔性基底的性能提供了一種可行的方法，并強調(diào)生物基單體在柔性電子可持續(xù)柔性基底的設(shè)計和制備方面具有巨大的潛力。

圖2 不同4E含量的三元硫醇-烯熱固性基底的熱學(xué)、光學(xué)和機械性能。不同4E含量的三元硫醇-烯熱固性基底的a） 損耗因子， b）儲能模量，c）交聯(lián)密度，d）透光率曲線（插圖為含30%4E的三元硫醇-烯熱固性基底的真實照片），e）應(yīng)力-應(yīng)變曲線，f）最大拉伸強度和斷裂伸長率的統(tǒng)計結(jié)果。 

圖3 a) 具有柔性基底/PH1000/PEDOT:PSS/PM6:BTP-eC9/PNDIT-F3N/Ag器件結(jié)構(gòu)的柔性OSC的示意圖。b）PM6、BTP-eC9、PEDOT:PSS和PNDIT-F3N的化學(xué)結(jié)構(gòu)。c) PET和三元硫醇-烯熱固性基底柔性OSC的電流密度-電壓（J-V）曲線，以及d) 它們相應(yīng)的EQE光譜。

  相關(guān)研究鏈接：

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmacrolett.3c00621

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmacrolett.3c00400

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/asia.202200503

  https://www.mdpi.com/2073-4360/12/3/586

  https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/py/d0py00291g

  https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/gc/d2gc02901d

  https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/gc/c9gc03926k

  https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2015/gc/c5gc01340b

  https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cctc.201801381

  文獻來源 Jingfu Tian, Yang You, Han Zhou, Haojie Li, Lin Hu, Yaozhu Tian, Haibo Xie*, Yuanpeng Xie*, Xiaotian Hu*., Biobased Thermoset Substrate for Flexible and Sustainable Organic Photovoltaics. Adv. Funct. Mater. 2024, 2400547.

  原文鏈接： https://doi.org/10.1002/adfm.202400547