共轭聚合物在本征可拉伸有机光伏器件中的分子到中观尺度相关演化

为活动人体设计的可拉伸太阳能电池

设想一种太阳能电池，它能够随皮肤或衣物弯曲、扭曲和拉伸而不解体。本研究考察了用于柔性太阳能电池的特殊类塑料材料在受到拉伸时内部如何发生变化。通过使用强大的 X 射线工具实时观察这些变化，研究人员揭示了这些材料如何在保持电子功能性的同时具备机械韧性——这是实现耐用可穿戴电源的关键一步。

塑性导体如何承受拉伸

这些器件由共轭聚合物制成——即能够传导电荷并吸收光的长分子链。与日常柔软的塑料不同，这些链相对较刚性，并形成微小的晶区，因此更倾向于断裂而非延展。然而，经过合适设计后，这类聚合物薄膜可以承受大应变并仍能作为电子元件工作。一个关键未知是：从单条分子链到更大束状结构，材料在被拉伸时的微观结构如何演变。理清这一层级结构变化对于改进可拉伸太阳能电池、传感器和发光器件至关重要。

观察分子排列与扭曲

团队以一类广泛研究的 n 型聚合物 P(NDI2OD-T2) 作为模型。他们在软橡胶基底上拉伸薄膜的同时，用精调的 X 射线探测其结构。一种技术——X 射线吸收光谱——揭示了聚合物链的取向变化。在小至中等应变下，链段逐渐旋转，使主链沿拉伸方向排列，类似煮熟的意大利面条被拉直。在更高应变下，链内某些构建单元之间的键发生更明显的扭转，增大了它们之间的夹角。计算机模拟证实，这种扭曲会消耗能量，但成为材料在不发生断裂的情况下吸收机械应力的一种有效方式。

晶区破裂、滑移与剥离

为了解薄膜内微小晶区的演变，研究人员使用了对链堆积特别敏感的共振 X 射线散射方法。他们发现了明显的两阶段响应。在拉伸早期，许多晶体块——尤其是那些横向于拉伸方向取向的晶块——迅速破碎。一些层之间发生相对滑动（“滑移”），而另一些则从边缘剥离（“剥离”），将更多链段输送到周围的无序区域。这些结构变化大多是不可逆的：晶粒一旦碎裂，薄膜释放后并不会完全重组。同时，大尺度成像显示薄膜的纤维状纹理增长并沿拉伸方向变得更有序，形成一个定向网络，帮助将应力在材料中分散。

从微观转变到器件表现

这些内部重排也改变了材料与光的相互作用及电荷传输行为。随着薄膜被拉伸，其主要吸收峰向略短波长移动并变窄。该位移表明有序链段向更扭曲的链段转变，从而缩短了激发态可扩展的距离。当将该受体聚合物与供体聚合物共混以制备完整的可拉伸太阳能电池时，器件初始光电转换效率约为 7%，表现良好。在 30% 的应变下，仍保留了约 84% 的原始效率，但电流输出和电荷收集均有所下降。显微镜观察证实，原本细密互联的受体聚合物网络在应变下粗化成较大聚集体，阻碍了电荷产生与传输并增加了损失过程。

为未来可穿戴电源提供设计启示

总体而言，这项工作表明这些可拉伸电子材料通过协调的多尺度响应来自我保护。首先，晶区碎裂并重新取向，其次，单链在更大尺度上发生扭转和对齐。上述步骤共同耗散机械能并延缓灾难性断裂，但也逐步破坏了有利于光吸收和电荷迁移的有序结构。通过详细绘制这些权衡，研究为实际应用提供了可操作的设计指导：未来的可拉伸太阳能电池可能需要额外的“缓冲”机制，例如可逆键或弹性网络，以在反复弯曲和拉伸的现实使用中保持电子性能同时延长寿命。

引用: 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

关键词: 可拉伸电子学, 有机太阳能电池, 共轭聚合物, 聚合物力学, X射线散射