Коррелятивная эволюция от молекулярного до мезомасштаба в сопряжённых полимерах для по своей сути эластичных органических солнечных элементов

Растягивающиеся солнечные элементы для движущихся тел

Представьте себе солнечную панель, которая гнётся, закручивается и растягивается вместе с вашей кожей или одеждой, не распадаясь на части. В этом исследовании изучают, как особые пластоподобные материалы, используемые в гибких солнечных элементах, внутренне меняются при растяжении. Наблюдая эти изменения в реальном времени с помощью мощных рентгеновских методов, исследователи обнаруживают, как материалы сохраняют одновременно электронные свойства и механическую прочность — ключевой шаг на пути к долговечным носимым источникам питания.

Как пластичные проводники выдерживают растяжение

Рассматриваемые устройства изготовлены из сопряжённых полимеров — длинных цепочек молекул, способных проводить заряд и поглощать свет. В отличие от мягких бытовых пластмасс, эти цепи относительно жёсткие и образуют небольшие кристаллические области, поэтому они склонны к растрескиванию, а не к растяжению. Тем не менее при правильной конструкции тонкие плёнки из этих полимеров могут выдерживать большие деформации и при этом сохранять электронную функциональность. Ключевым неизвестным было то, что происходит со структурой материала — от отдельных цепочек до более крупных пучков — при его растяжении. Разбор этой иерархии преобразований важен для улучшения растяжимых солнечных элементов, датчиков и светоизлучающих устройств.

Наблюдение выравнивания и скручивания молекул

Команда сосредоточилась на широко изучаемом n-типа полимере P(NDI2OD-T2) как модели. Они растягивали тонкие плёнки, поддерживаемые мягкой резиновой подложкой, одновременно исследуя их тонко настроенными рентгеновскими методами. Один из приёмов, рентгеновская спектроскопия поглощения, показал, как переориентируются полимерные цепи. При малых и умеренных деформациях цепи постепенно поворачивались так, что их скелеты выравнивались вдоль направления растяжения, подобно нитям варёной пасты, которые распрямляют. При больших деформациях связи между определёнными звеньями в каждой цепи сильнее скручивались, увеличивая угол между ними. Компьютерное моделирование подтвердило, что такое скручивание требует энергии, но становится эффективным способом для материала поглощать механическое напряжение, не разрываясь.

Кристаллики ломаются, скользят и отслоятся

Чтобы понять, что происходит с малыми кристаллическими областями в плёнке, исследователи применили резонансные методы рентгеновского рассеяния, особенно чувствительные к упаковке цепей. Они обнаружили чёткую двухступенчатую реакцию. На ранней стадии растяжения многие кристаллические блоки — особенно ориентированные поперёк направления растяжения — быстро разрушались. Некоторые слои скользили друг относительно друга («проскальзывание»), в то время как другие отслоились от краёв («отделение»), подпитывая окружающие беспорядочные участки новыми цепями. Эти структурные изменения были в основном необратимыми: после фрагментации кристаллитов они не восстанавливались полностью при снятии напряжения. Одновременно наблюдения в более крупном масштабе показали, что фибриллярная текстура плёнки увеличивалась и становилась более ориентированной вдоль направления растяжения, формируя сеть, которая помогает распределять напряжение по материалу.

От микроскопических сдвигов к работе устройства

Эти внутренние перестройки также изменяли взаимодействие материала со светом и перенос электрического заряда. По мере растяжения основной пик поглощения сдвигался в сторону чуть более коротких длин волн и сужался. Этот сдвиг указывает на переход от более упорядоченных к более скрученным сегментам цепей, что сокращает расстояние, на котором возбуждённые состояния могут распространяться. При смешивании полимера с донорным полимером для формирования полностью растяжимого солнечного элемента устройство начинало с приемлемого коэффициента преобразования мощности около 7%. При 30% деформации оно сохраняло примерно 84% первоначальной эффективности, однако ток и сбор заряда снижались. Микроскопические данные подтвердили, что первоначально тонкая взаимосвязанная сеть акцепторного полимера грубела в более крупные агрегаты при растяжении, что мешало генерации и транспорту зарядов и усиливало потери.

Уроки проектирования для будущих носимых источников питания

В целом работа показывает, что эти растяжимые электронные материалы защищают себя через координированный многомасштабный ответ. Сначала кристаллические области фрагментируются и переориентируются, затем отдельные цепи скручиваются и выравниваются на больших расстояниях. В совокупности эти стадии рассеивают механическую энергию и задерживают катастрофический отказ, но одновременно постепенно подрывают тот порядок, который делает материалы эффективными в поглощении света и переносе зарядов. Отображая эти компромиссы в деталях, исследование даёт практические рекомендации: будущим растяжимым солнечным элементам, возможно, потребуются дополнительные «амортизаторы», такие как динамические связи или эластичные сети, чтобы сохранять электронную производительность и в то же время выдерживать многократные изгибы и растяжения в реальном использовании.

Цитирование: 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

Ключевые слова: эластичная электроника, органические солнечные элементы, сопряжённые полимеры, механика полимеров, рентгеновское рассеяние