可折疊手機、智能手表健康監測設備等可穿戴電子產品越來越普及，如何為這些設備提供高效、穩定且持續的供能？華中科技大學武漢光電國家研究中心邵明教授、張新亮教授團隊實現了兼具優異的機械柔韌性和高光電轉換效率的可拉伸太陽能電池。相關成果日前發表在《科學》上。
論文截圖。
專家介紹，傳統無機太陽能電池盡管光電轉換效率高，但因其剛性和脆性，難以滿足可穿戴設備、室內光伏等新應用場景的需求。有機太陽能電池雖然具有輕、薄特性且具有一定的機械柔韌性，可以實現彎折，但在大尺度的機械形變條件下，光電性能仍會急劇下降乃至失效。目前，高效率的有機太陽能電池僅可承受<5%的拉伸形變。
針對這一挑戰，邵明課題組前期對有機半導體的光電性能與力學性能進行了深入研究，系統探索了半導體分子結構和薄膜結晶性，電子給體和受體之間相互作用的內在聯系，為理解非晶和多晶半導體中的載流子傳輸提供了新的理解。
在研究中，團隊設計了一類全新的小分子受體材料BTP-Si4。該受體材料表現出獨特的“增塑”效應，能夠大比例滲入到活性層聚合物給體的非晶區域，增大聚合物鏈段的“自由體積”，利于聚合物鏈段在外界應力作用下滑移并重新取向，并有效降低了整體光活性層薄膜的結晶性，從而大幅提升了薄膜的機械拉伸性能。該器件可與人體皮膚完美共形，即使貼附在手指、手腕、膝蓋等大形變的活動關節處，器件仍可正常工作。該器件還可以在室外和室內光照射下為大多數可穿戴電子器件提供足夠的驅動能力。
《科學》編輯Phil Szuromi評價道：“這項研究通過創新的材料組合，克服了電池中吸光層固有的脆性問題，展示了小分子受體在增強延展性和保持電子遷移率方面的獨特作用。”
據悉，該項研究實現了有機太陽能電池性能和拉伸性的突破，新的材料設計原則也為未來開發更多高性能、本征柔性、可拉伸電子材料提供了指導，可廣泛應用在可拉伸顯示、光電探測器等領域。
相關論文信息：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp9709
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