近日，《科学》（Science）在线发表了华中科技大学武汉光电国家研究中心邵明教授、张新亮教授团队的最新研究论文“小分子受体增塑实现机械强韧且可拉伸的有机太阳能电池”（Mechanically robust and stretchable organic solar cells plasticized by small-molecule acceptors）。该研究成功实现了兼具优异的机械柔韧性和高光电转换效率的可拉伸太阳能电池，为可穿戴设备提供了理想的供能解决方案。
随着可折叠手机、智能手表、健康监测设备等可穿戴和便携性电子产品的普及，如何为这些设备提供高效、稳定且持续的供能成为关键挑战。传统无机太阳能电池（如硅电池）尽管光电转换效率高，但因其刚性和脆性，难以满足可穿戴设备、室内光伏等新应用场景的需求。有机太阳能电池（OPV）虽然具有轻、薄特性且具有一定的机械柔韧性，可以实现弯折，但在大尺度的机械形变（如拉伸）条件下，光电性能仍会急剧下降乃至失效。目前，高效率的OPV仅可承受<5%的拉伸形变。如何克服半导体光电性能和机械性能之间普遍存在的相互制约关系，同时获得高的光电转换效率和机械拉伸性的柔性光电子器件仍面临着巨大挑战。
针对这一挑战，邵明教授课题组前期对有机半导体的光电性能与力学性能进行了深入研究，系统探索了半导体分子结构和薄膜结晶性，电子给体和受体之间相互作用的内在联系，为理解非晶和多晶半导体中的载流子传输提供了新的理解（Adv. Funct. Mater., 2103545, 2025; Small, 2201589, 2022; Adv. Sci, 2204727, 2023; Angew. Chem.,e202403139, 2024; Energy. Environ. Sci, 2025, DOI:10.1039/D4EE04969A）
在研究中，团队设计了一类全新的小分子受体材料BTP-Si4。与目前广泛使用的富勒烯和非富勒烯小分子受体不同，该受体材料表现出独特的“增塑”效应。它能够大比例渗入到活性层聚合物给体的非晶区域，增大聚合物链段的“自由体积”，利于聚合物链段在外界应力作用下滑移并重新取向，并有效降低了整体光活性层薄膜的结晶性，从而大幅提升了薄膜的机械拉伸性能。同时该受体分子可以通过紧密的3D堆叠保持高效的电荷传输，具有高电子迁移率。基于该小分子受体和超高延展性的聚合物给体（PNTB6-Cl）的共混活性层薄膜，团队成功制备了高效率（光伏转换效率超过16%）的柔性/可拉伸太阳能电池，器件可承受高达95.5%的极限拉伸形变，远超此前报道的各类柔性太阳能电池。该器件可与人体皮肤完美共形，即使贴附在手指、手腕、膝盖等大形变的活动关节处，器件仍可正常工作。并在室外和室内光照射下为大多数可穿戴电子器件提供足够的驱动能力。
图为 A太阳能电池的光电性能；B活性层薄膜的机械性能；C性能对比图。
该研究也颠覆了传统观点——为了实现高的光电转换效率和高的载流子迁移率，需要采用刚性平面的分子骨架并获得高结晶性的薄膜，而这通常不可避免地会导致薄膜拉伸性的下降。而该研究工作揭示了一项有机半导体普适设计原则——通过小分子受体侧链的合理设计，可以调控其与聚合物给体的相互作用，同时实现高的光电转换效率和优异的力学性能。Science编辑Phil Szuromi评价道：“这项研究通过创新的材料组合，克服了电池中吸光层固有的脆性问题，展示了小分子受体在增强延展性和保持电子迁移率方面的独特作用。”
图为可拉伸有机太阳能电池器件性能表征与应用。
该项研究不仅解决了柔性光电子领域中器件光电和机械性能相互制约的长期难题，实现了有机太阳能电池性能和拉伸性的突破。新的材料设计原则也为未来开发更多高性能、本征柔性/可拉伸电子材料提供了指导，可广泛应用在未来的可拉伸显示、光电探测器等领域，改变未来光电子器件的形态，拓展其在生物医疗电子、人机交互、人工视觉、柔性传感等新兴领域的应用。
华中科技大学为论文的第一完成单位，武汉光电国家研究中心王振业博士、张迪博士和杨吕鹏博士为共同第一作者，华中科技大学邵明教授、美国佐治亚理工Antonio Facchetti教授、Seung Soon Jang教授以及汕头大学武庆贺教授为共同通讯作者。该研究工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金等项目的支持。
