Resolving the Efficiency–Mechanical Trade‐off in Organic Solar Cells: 20.4% Enabled by Hydrogen‐Bonding Engineering

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作者
Zihao Gao,Qiaomei Chen,Meng Duan,Ziheng Lu,Jiachen Wu,Chengyi Xiao,Christopher R. McNeill,W. B. Li
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:65 (10): e24211-e24211
标识
DOI:10.1002/anie.202524211
摘要

Organic solar cells (OSCs) face a trade-off between power conversion efficiency (PCE) and mechanical robustness: high toughness requires low-crystallinity amorphous polymers, which impair photovoltaic performance. Herein, we propose a strategy combining random copolymerization and hydrogen-bonding modulation to resolve this conflict. First, the incorporation of an ester-substituted thiophene yields PM6-H, exhibiting improved toughness (high crack-onset strain, COS) but lower PCE. Subsequently, introducing ─OH and ─OOCNHC6H13 groups at the terminals of alkyl chains forms PM6-OH and PM6-UR. The hydrogen bonding serves dual functions: acting as dynamic cross-linking sites to further enhance mechanical properties while restoring optimal lamellar stacking for efficient charge transport. As a result, these copolymers simultaneously achieve a COS exceeding 46%, a high PCE of up to 20.4%, and superior storage, thermal, and light stability (with T80 being twice that of the PM6 benchmark). Flexible OSCs fabricated using these donor polymers deliver a PCE of 18.22% while maintaining outstanding flexibility, with ∼90% PCE retention after 2200 bending cycles (vs. 78% for controls). This work demonstrates that copolymerization with controlled hydrogen-bonding interactions overcomes the efficiency-robustness trade-off in OSCs through precise structural modulation, paving the way for high-performance, mechanically durable, and stable OSCs suitable for practical applications.
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