本征可拉伸有机太阳能电池兼具轻质、柔性和可形变等特点，在可穿戴电子、电子皮肤以及共形能源器件等领域具有重要应用前景。对于传统刚性器件，适度的分子有序堆积、结晶以及连续的纳米尺度相分离网络，是实现高效激子解离和载流子输运的重要结构基础。

  然而，当器件形态从刚性走向动态可形变时，聚合物链构象、晶体结构以及相分离形貌会发生一系列跨尺度变化，包括构象重排、晶面滑移与剥离，以及相分离形貌的形变、重排与取向等。上述结构演变一方面有助于耗散机械应力，使薄膜能够承受较大的形变；另一方面也可能破坏原有的电子耦合与连续电荷输运通道，造成光电性能衰减。因此，本征可拉伸有机光电的发展不仅需要持续开发新型材料，还需要进一步回答：在外部应变驱动下，薄膜内部结构究竟应该如何演变，才能在有效释放机械应力的同时维持连续的光电功能网络？

  近年来，团队已结合先进同步辐射软X射线与韧X射线散射及谱学技术，包括近边X射线吸收精细结构谱（NEXAFS）、共振韧X射线散射（TReXS）和原位共振软X射线散射（RSoXS），建立从分子构象、晶体结构到形貌的完整关联图像，提出了由“链段取向与晶区破坏”主导的初始响应阶段，以及由“链段持续取向与链内扭转”主导的后续响应阶段构成的两步结构响应机制（图1）。这一跨尺度结构演化过程直接关联薄膜的应力耗散行为，并揭示了应变下光吸收能力、载流子输运能力及光电性能同步衰退的结构起源，为高性能本征可拉伸共轭高分子的理性设计提供了重要结构指导（Nat. Commun. 2026, 17, 2980）。

图1. 跨尺度关联表征揭示完整结构演化路径

  如果说前期工作的重点是“看清应变下结构如何变化”，那么新的问题便进一步转向：能否通过材料设计调控这种结构变化，使薄膜形成一种对机械应变具有自适应能力的聚集态？近期，华南理工大学黄飞教授、钟文楷副教授团队围绕该问题，以全聚合物太阳能电池为模型体系，通过双受体策略调控初始结晶和纤维状相分离结构，并结合原位拉伸共振软X射线散射（in situ RSoXS），揭示了不同聚集态薄膜在机械应变下截然不同的介观形貌演变模式，进一步建立聚集态—应变驱动形貌演变—光伏性能之间的关联。

  相关成果以“Dual-acceptor regulation enables strain-adaptive morphology for efficient intrinsically stretchable all-polymer solar cells” 为题发表《Energy & Environmental Science》上。华南理工大学硕士生余磊为论文第一作者，钟文楷副教授与黄飞教授为共同通讯作者。本研究得到国家自然科学基金、广东省自然科学基金等项目支持。合肥光源金华线站（BL05U-B）为原位RSoXS测试提供重要支持。

  本研究选择PBQx-TCl作为聚合物给体，并在聚合物受体PYIT基础上，引入具有相同共轭骨架但不同侧链结构的PYIT-DT，构建PBQx-TCl:PYIT:PYIT-DT双受体体系（图2）。两种受体具有相近的光学和电子结构，因此可以在不过度改变受体相本征吸收和能级特征的情况下，重点调控材料的结晶行为及相分离形貌，为研究初始形貌如何决定后续应变响应提供了相对清晰的材料平台。

  静态薄膜结构表征发现，PYIT-DT的加入适度抑制过度结晶，同时保留必要的局域晶体有序性；与此同时，原本较粗大的相分离结构被调节为更加细化、均匀的纤维网络。这种调控使三元薄膜从一个结构调整自由度相对有限的聚集态网络，转变为一个既能够保持有效电子连接，又保留一定介观重构空间的形貌状态。

图2. 双受体调控结晶与纤维形貌的设计思路

  为了直接观察不同初始聚集态在机械应变下如何演变，研究团队进一步采用原位拉伸共振软 X 射线散射（in situ RSoXS），对三种共混薄膜在连续拉伸过程中的介观结构变化进行动态追踪。结果表明，不同薄膜表现出三种具有本质差异的应变响应模式（图3）。

  对于PBQx-TCl:PYIT薄膜，低应变阶段形貌整体变化较小，但当应变超过15%后，相分离结构突然发生明显的重构和取向。这种模式可以理解为一种过度重构，即通过大幅改变原有形貌来释放机械应力。这种方式虽然允许薄膜继续发生宏观形变，但代价是原有连续纤维状输运网络被明显改变。

  对于PBQx-TCl:PYIT-DT薄膜，随着应变增加，其形貌调整幅度较小，表现出明显的重构不足，即外部机械应力无法通过介观结构调整被有效分散和耗散，更容易形成局域应力集中，最终诱发脆性破坏。

  对于优化的PBQx-TCl:PYIT:PYIT-DT三元薄膜，随着应变逐渐增加，内部的相分离结构发生连续的聚集、形变与取向，但整个过程没有出现二元PYIT体系中的突变式重构，也不同于PYIT-DT体系几乎无法有效调整的状态。而是表现出一种连续的介观重构行为。这种结构具有足够自由度来适应外部形变并释放应力，同时又不会因为过度重排而彻底破坏原有载流子输运网络。

图3. 三种薄膜在原位拉伸RSoXS中形貌演变模式

  优化的聚集态结构使三元体系在保持机械适应性的同时，也维持了优异的光伏性能（图4）。在刚性器件中，PBQx-TCl:PYIT:PYIT-DT三元体系获得19.24%的光电转换效率（PCE）；经过进一步界面（2PACz）优化后，器件最高 PCE 达到20.00%，认证效率为 19.68%。该结构优势能够进一步延续到本征可拉伸器件中。三元体系可拉伸器件初始PCE达到14.60%；在40%拉伸应变下仍能够保持约80%的初始性能，并在20%应变下经历431次循环拉伸后仍保持约80%的初始性能。这些结果表明，获得高性能本征可拉伸有机光伏并不一定需要以牺牲有效分子堆积和电荷输运为代价去追求极端柔软的材料。通过合理设计初始聚集态，使功能形貌在应变作用下能够进行适度、连续且协同的重构，同样可以有效缓解光伏性能与机械形变能力之间的矛盾。

图4. 三元本征可拉伸有机光伏器件的应变依赖性能及循环拉伸稳定性

【研究意义与展望】

  传统材料设计通常将机械应变视为一种需要尽可能抵御的外部扰动。但对于由大量弱相互作用和多级聚集态结构构成的共轭聚合物薄膜而言，应变本身也是驱动内部结构重新组织的重要物理场。本项工作从主动调控应变下的形貌演变路径出发，将研究重点从提高材料本身的延展性，进一步推进到构筑具有应变自适应能力的功能聚集态，为理解和调控本征可拉伸有机光电材料在动态形变过程中的结构与功能响应提供了新的设计思路。

  原文链接：https://doi.org/10.1039/d6ee03500k