Correlatieve moleculaire-tot-mesoschaal evolutie in geconjugeerde polymeren voor intrinsiek rekbare organische zonnecellen

Rekbare zonnecellen voor bewegende lichamen

Stel je een zonnecel voor die buigt, draait en meerekt met je huid of kleding zonder uit elkaar te vallen. Deze studie onderzoekt hoe speciale, plasticachtige materialen die in flexibele zonnecellen worden gebruikt, intern veranderen wanneer ze worden uitgerekt. Door deze veranderingen realtime te volgen met krachtige röntgentools, onthullen de onderzoekers hoe deze materialen zowel elektronisch bruikbaar als mechanisch taai blijven—een essentiële stap richting duurzame, draagbare energiebronnen.

Hoe plasticgeleiders de trekbelasting dragen

De apparaten in kwestie zijn gemaakt van geconjugeerde polymeren—lange ketens van moleculen die lading kunnen vervoeren en licht kunnen absorberen. In tegenstelling tot zachte alledaagse kunststoffen zijn deze ketens relatief stijf en vormen ze kleine kristallijne gebieden, waardoor ze eerder scheuren dan uitrekken. Toch kunnen dunne films van deze polymeren met het juiste ontwerp grote rek aan zonder hun elektronische functie te verliezen. Het belangrijkste onbekende was wat er met de structuur van het materiaal gebeurt, van individuele ketens tot grotere bundels, wanneer het wordt uitgerekt. Het ontleden van deze hiërarchie van veranderingen is cruciaal om rekbare zonnecellen, sensoren en lichtgevende apparaten te verbeteren.

Waarnemen hoe moleculen zich uitlijnen en verdraaien

Het team richtte zich op een veel bestudeerd n-type polymeer, P(NDI2OD-T2), als model. Ze rekten dunne films uit die ondersteund werden door een zacht, rubberachtig substraat terwijl ze ze bestudeerden met fijn afgestemde röntgenstralen. Eén techniek, röntgenabsorptiespectroscopie, liet zien hoe de polymeerketens zich heroriënteren. Bij kleine tot matige rek draaiden de ketens geleidelijk zodat hun ruggraten zich uitlijnen in de richting van de trek, zoals slierten spaghetti die worden rechtgetrokken. Bij hogere rek draaiden de bindingen tussen bepaalde bouwstenen in elke keten sterker, waardoor de hoek ertussen toenam. Computersimulaties bevestigden dat dit draaien energie kost maar een krachtige manier wordt voor het materiaal om mechanische spanning op te nemen zonder te breken.

Kristallen breken, schuiven en loskomen

Om te begrijpen wat er met de kleine kristallijne gebieden in de film gebeurt, gebruikten de onderzoekers resonante röntgenspreidingsmethoden die bijzonder gevoelig zijn voor hoe ketens samenpakken. Ze vonden een duidelijk tweefasig antwoord. Vroeg in het uitrekken braken veel kristallijne blokken—vooral die georiënteerd dwars op de trekrichting—snel uiteen. Sommige lagen schoven langs elkaar (“slippage”), terwijl andere van de randen loslieten (“peeling”), waardoor meer ketens in de omliggende ongeordende regio’s terechtkwamen. Deze structurele veranderingen waren grotendeels onomkeerbaar: eenmaal gefragmenteerde kristallieten herstelden zich niet volledig wanneer de film werd losgelaten. Tegelijkertijd toonde beeldvorming op grotere schaal dat de fibrilachtige texturen van de film groeiden en meer uitgelijnd raakten langs de trekrichting, waardoor een georiënteerd netwerk ontstond dat helpt spanning door het materiaal te verdelen.

Van microscopische verschuivingen naar apparaatprestaties

Dergelijke interne herschikkingen veranderden ook hoe het materiaal met licht omging en elektrische lading vervoerde. Terwijl de film werd uitgerekt, verschoof zijn belangrijkste absorptiepiek naar iets kortere golflengten en werd smaller. Deze verschuiving duidt op een beweging van meer geordende naar meer verdraaide ketensegmenten, wat de afstand verkort waarover geëxciteerde toestanden zich kunnen verspreiden. Toen het polymeer werd gemengd met een donorpolymeer om een volledig rekbare zonnecel te vormen, begon het apparaat met een respectabele vermogenconversie-efficiëntie van ongeveer 7%. Bij 30% rek behield het nog ongeveer 84% van zijn oorspronkelijke efficiëntie, maar zowel de stroomopbrengst als de ladingsverzameling namen af. Microscopie bevestigde dat het oorspronkelijk fijne, onderling verbonden netwerk van het acceptorpolymeer onder rek uitgroeide tot grotere aggregaten, wat de ladinggeneratie en -transport belemerde en verliesprocessen vergrootte.

Ontwerplessen voor toekomstige draagbare energie

Al met al laat het werk zien dat deze rekbare elektronische materialen zichzelf beschermen via een gecoördineerde, multischaalreactie. Eerst fragmenteren en heroriënteren kristallijne regio’s, daarna draaien en lijnen individuele ketens zich uit over grotere afstanden. Samen dissiperen deze stappen mechanische energie en vertragen ze catastrofaal falen, maar ze ondermijnen ook geleidelijk de orde die de materialen goed maakt in het oogsten van licht en het verplaatsen van ladingen. Door deze afwegingen in detail in kaart te brengen, biedt de studie praktische richtlijnen: toekomstige rekbare zonnecellen hebben mogelijk extra “schokdempers” nodig, zoals dynamische bindingen of elastische netwerken, om de elektronische prestaties te behouden terwijl ze herhaald buigen en rek in de echte wereld overleven.

Bronvermelding: Zhong, W., Freychet, G., Su, G.M. et al. Correlative molecular-to-mesoscale evolution in conjugated polymers for intrinsically stretchable organic photovoltaics. Nat Commun 17, 2980 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-025-68265-4

Trefwoorden: rekbare elektronica, organische zonnecellen, geconjugeerde polymeren, polymeermechanica, röntgendiffractie