在全球能源转型与智能可穿戴技术发展的背景下，有机光电材料因其轻质、柔性和可溶液加工等特点，在太阳能利用和光电传感领域受到广泛关注。其中，有机太阳电池能够将光能转化为电能，有机光探测器则可将光信号转化为可读取的电信号。如何提高材料对光的利用能力，同时减少电荷传输过程中的能量损失，是提升这两类器件性能的重要研究方向。
近期，河北大学联合北京航空航天大学、中国石油大学（华东）等单位，在聚合物包覆手性单壁碳纳米管及其有机光电应用方面取得进展。研究团队将共轭聚合物与特定手性的单壁碳纳米管结合，构建兼具光学活性与形貌调控作用的复合添加剂，实现了20.10%的有机太阳电池光电转换效率，并将该策略拓展至宽谱光探测和实时心率监测。相关成果以“Polymer-Wrapped Chiral Single-Walled Carbon Nanotubes Enable 20% Efficiency Organic Solar Cells and Broadband Photodetectors”为题，发表于《Nano Letters》。河北大学张照明、中国石油大学（华东）李彦勋、河北大学杨德华和北京航空航天大学张伟超为论文共同第一作者，河北大学张旭宁、陈剑辉、杨政和北京航空航天大学张渊教授为共同通讯作者。
拓宽光谱响应范围与降低电压损失，是有机太阳电池研究中需要兼顾的两个目标。具有近红外吸收能力的单壁碳纳米管为此提供了材料选择，但其光电性质与手性结构密切相关，未经有效分离的碳纳米管中可能含有不利于器件工作的金属性组分，也容易发生团聚，影响活性层结构与电荷输运。此外，传统分散单壁碳纳米管方法使用的绝缘性表面活性剂往往需要进一步去除，增加了加工复杂性。因此，如何实现特定手性碳纳米管的有效分散，并使其与有机半导体材料协同工作，是发挥其光电性能的重要前提。
针对上述问题，研究团队采用具有较高光致发光量子产率的宽带隙共轭聚合物F8BT，对单壁碳纳米管进行选择性分散，获得包覆（10,5）手性碳纳米管的F8BT@CNT（10,5）复合材料，并将其引入有机太阳电池活性层。该策略使F8BT同时承担分散剂和光电活性组分的作用，省去了后续去除分散剂的复杂步骤。其中，F8BT能够参与光吸收与能量传递，（10,5）碳纳米管则在约1249 nm处具有近红外吸收峰，为拓展材料的光谱利用范围提供了基础。
研究进一步表明，该复合添加剂能够调节活性层的成膜过程与分子堆积，改善给体和受体材料的相容性，促进形成有序的纳米纤维网络，为电荷传输提供连续通道。同时，碳纳米管的引入提高了活性层的介电常数，降低了能量无序程度，并促进电荷提取、抑制非辐射复合与双分子复合。上述作用共同改善了器件的光电转换性能，使光生电荷能够更有效地被收集和利用。
实验结果显示，在PM6:BTP-eC9体系中，引入F8BT@CNT（10,5）后，太阳电池的最高光电转换效率由18.10%提升至19.34%，非辐射能量损失降至0.188 eV；在D18:L8-BO体系中，器件最高效率达到20.10%，非辐射能量损失进一步降至0.182 eV。团队还在包括全聚合物体系在内的多种材料组合中验证了该策略的适用性。在论文所述空气环境连续光照测试条件下，经过400小时后，复合添加剂改性器件仍保持初始效率的84%，对照器件则为67%，显示出器件稳定性的改善。
在光电探测方面，研究团队利用该复合材料制备了有机光探测器，实现405—1100 nm范围的光响应，比探测率达到1010 Jones量级，响应时间约为7.9微秒。进一步将器件集成至反射式光电容积脉搏波传感系统后，团队成功获取了具有清晰收缩峰和舒张峰的实时指尖脉搏信号，展示了其在心率监测中的应用潜力。
该研究通过聚合物与手性碳纳米管的协同设计，将材料分散、光学调控和活性层形貌优化相结合，为兼顾高效率与低能量损失的有机太阳电池提供了可行路径。同时，从光伏发电到光电传感的应用拓展，也为开发面向能源采集与可穿戴监测的有机光电器件提供了研究思路。
以上研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、河北省自然科学基金、中央引导地方科技发展资金以及山东省相关科研与人才项目等的资助和支持。
文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6c03189
