氯丁橡胶双功能添加剂实现高效超柔性有机太阳能电池的突破

本研究针对有机太阳能电池(OSCs)机械延展性与光电性能难以兼容的难题，创新性地采用氯丁橡胶(CR)作为非挥发性固体添加剂和增塑剂，在D18:L8BO体系中同时提升器件功率转换效率(PCE=19.25%)和断裂应变(23.5%)，为可穿戴设备提供了高性能超柔性光伏解决方案。

　　

在追求碳中和的今天，有机太阳能电池(OSCs)因其轻质、柔性及可溶液加工等优势，成为可穿戴电子设备的理想能源供给方案。然而，有机半导体材料固有的脆性与其高效光电转换性能之间存在难以调和的矛盾——π-共轭分子强烈的结晶倾向虽有利于电荷传输，却导致薄膜在形变时易断裂。现有增塑策略往往以牺牲功率转换效率(PCE)为代价，例如添加5%聚氯乙烯(PVC)会使PCE从17%降至15%。这一"鱼与熊掌不可兼得"的困境，严重制约了OSCs在柔性电子领域的实际应用。

针对这一挑战，中国研究人员在《Joule》发表突破性成果。团队创造性地选用工业级氯丁橡胶(CR)作为双功能添加剂，通过其分子中的氯原子和双键同时发挥非挥发性固体添加剂(SA)和增塑剂作用。研究采用掠入射广角/小角X射线散射(GIWAXS/GISAXS)分析薄膜微观结构，结合原子力显微镜(AFM)和拉伸测试等手段，系统阐释了CR如何通过卤素键和π-π相互作用优化D18分子堆积，同时构建三维动态交联网络。

材料选择与分子相互作用
研究选用D18:L8BO作为本体异质结(BHJ)体系，CR的氯原子与D18形成卤素键，双键则参与π-π堆积。对比实验显示，无氯的天然橡胶(NR)因缺乏卤素相互作用，导致PCE随添加量增加而急剧下降，证实CR的特殊作用。

光电性能与机械特性
含5wt%CR的刚性器件PCE达19.25%，较对照组(18.49%)显著提升。当CR添加量增至50wt%时，虽PCE降至15.95%，但断裂应变(COS)提升至23.5%，远超常规OSCs。超柔性器件在5wt%CR时实现16.91%的PCE，且在5000次50%压缩循环后仍保持89.9%的初始效率，而对照组仅剩62.1%。

微观机制解析
GIWAXS显示CR促进D18(100)晶面间距从3.72?缩小至3.68?，增强分子有序性。分子动力学模拟揭示CR通过C-Cl···S和C-Cl···π相互作用形成三维网络，其弹性链段在形变时通过可逆键断裂耗散能量。

这项研究开创了"性能增强型增塑"新范式，首次实现添加剂同时提升OSCs的效率和柔韧性。CR的低成本(<$5/kg)和工业化量产特性，为可穿戴光伏的大规模应用铺平道路。研究提出的"卤素-π协同作用"设计原则，为开发新一代多功能光电材料提供了普适性策略。正如通讯作者Tobin J. Marks指出，该方法"打破了有机半导体机械-光电性能的固有权衡，将加速柔性电子从实验室走向市场"。