柔性电子领域快速发展，在生物/医疗传感及通讯、可穿戴电子设备等新兴领域应用前景广阔。相应地，对于与之相匹配的柔性、可拉伸形变的能源供给器件有重要需求。有机光伏电池依托有机高分子活性层，与晶体硅、碲化镉薄膜等半导体相比，在机械柔性方面有先天优势。然而，超薄有机太阳能电池在微米弯曲半径下的连续变形循环过程中的机械耐久性仍然是一个挑战。为了得到机械性能稳定的超薄有机太阳能电池，需要器件各功能层包括电极、界面层和活性层都具有优异的机械性能。

最近，华中科技大学光电国家研究中心周印华教授课题组，开发了一种聚合物、金属离子配位的阴极界面层。他们从聚合物阴极修饰材料聚乙烯亚胺（PEI）出发，通过采用锌离子进行配位，获得了光电性能、机械性能均优的电子传输层PEI-Zn。基于此界面层材料，在1.3微米的柔性基底PEN上，分别以PEDOT:PSS和AgNWs为底电极，以PBDB-T-2F:Y6为活性层，实现了效率为12.3%和15.0%的，整体厚度小于2微米的超薄有机太阳能电池。

图（a）超薄有机太阳能电池的器件结构和实物图；图（b）超薄有机太阳能电池在PEDOT:PSS和AgNWs电极上的器件性能

该团队前期的工作表明（Adv. Mater. 2019,31, 1806616. J.Mater. Chem. A 2018, 6, 2273.），常用的聚合物界面层聚乙烯亚胺（PEI）或其乙氧基化衍生物PEIE易与非富勒烯受体发生反应的。而锌离子的配位，使PEI上胺基电子发生转移，减弱了PEI的界面反应活性，抑制了PEI与非富勒烯活性层的反应。通过调控PEI与锌离子的比例，作者获得了适合多种非富勒烯活性层的PEI-Zn条件。当Zn-N原子比超过4:1时，有机太阳能电池器件表现出优异的光电转换性能。另外，PEI-Zn继承了聚合物PEI机械性能优异的特点，与传统的电子传输层ZnO相比，PEI-Zn能承受的最大弯曲应变是ZnO的两倍。弯曲测试中可见ZnO表面的裂纹，而PEI-Zn表面则完好。

图（a）不同比例的PEI-Zn器件性能；图（b）PEI-Zn和PEI与IT-4F溶液的反应；图（c）不同比列的PEI-Zn的XPS；图（d）PEI-Zn与ZnO的机械性能比较。

在实现的超薄有太阳能电池后，该团队通过与预拉伸的弹性体相结合，测试了超薄器件的机械性能。研究发现，与ZnO相比，PEI-Zn作为电子传输层时，在不同的电极体系（ITO、AgNWs和PEDOT:PSS）都表现出了更优的机械性能，这也主要得益于它本身良好的机械耐受性。当聚合物PEDOT:PSS作为电极时，超薄器件在45%的皱缩形变下，弯曲100次，器件性能几乎不变，展现了优异的机械性能。最后，该团队将超薄器件贴附在手指关节，在手指弯曲伸展过程中显示出可逆的电流输出。

超薄器件的机械循环性能（a）ITO电极；（b）AgNWs电极；（c）PEDOT:PSS电极；（d）超薄器件在手指关节的展示。

该团队进一步介绍，PEI-Zn材料同时具备优异的光电性能、化学稳定性和机械柔性，既能与多种印刷电极（包括AgNWs和PEDOT:PSS电极）相兼容，又能与非富勒烯活性层体系（PBDB-T-2F:IT-4F和PBDB-T-2F:Y6）相兼容，在柔性电子和印刷电子领域有重要意义。

相关工作以“Robust metal ion-chelated polymer interfacial layer for ultraflexible non-fullerene organic solar cells”为题发表在自然·通讯（Nature Communication, 2020,11, 4508.https://doi.org/10.1038/s41467-020-18373-0）。华中科技大学光电国家研究中心的覃飞、王文、孙露露为论文的共同第一作者，通讯作者为华中科技大学周印华教授，论文合作者包括中国科学院化学研究所候剑辉研究员，以及日本东京大学的Takao Someya教授和日本理化所的Kenjiro Fukuda研究员。该工作得到了国家自然科学基金、华中科技大学自主创新基金、武汉光电国家研究中心创新基金项目、中国博士后项目的资助。