可折疊手機、智能手表健康監(jiān)測設(shè)備等可穿戴電子產(chǎn)品越來越普及，如何為這些設(shè)備提供高效、穩(wěn)定且持續(xù)的供能？華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心邵明教授、張新亮教授團隊實現(xiàn)了兼具優(yōu)異的機械柔韌性和高光電轉(zhuǎn)換效率的可拉伸太陽能電池。相關(guān)成果日前發(fā)表在《科學(xué)》上。

論文截圖。

專家介紹，傳統(tǒng)無機太陽能電池盡管光電轉(zhuǎn)換效率高，但因其剛性和脆性，難以滿足可穿戴設(shè)備、室內(nèi)光伏等新應(yīng)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(xiàn)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(zhàn)，邵明課題組前期對有機半導(dǎo)體的光電性能與力學(xué)性能進行了深入研究，系統(tǒng)探索了半導(dǎo)體分子結(jié)構(gòu)和薄膜結(jié)晶性，電子給體和受體之間相互作用的內(nèi)在聯(lián)系，為理解非晶和多晶半導(dǎo)體中的載流子傳輸提供了新的理解。

在研究中，團隊設(shè)計了一類全新的小分子受體材料BTP-Si4。該受體材料表現(xiàn)出獨特的“增塑”效應(yīng)，能夠大比例滲入到活性層聚合物給體的非晶區(qū)域，增大聚合物鏈段的“自由體積”，利于聚合物鏈段在外界應(yīng)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(jié)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(guān)節(jié)處，器件仍可正常工作。該器件還可以在室外和室內(nèi)光照射下為大多數(shù)可穿戴電子器件提供足夠的驅(qū)動能力。

《科學(xué)》編輯Phil Szuromi評價道：“這項研究通過創(chuàng)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(jù)悉，該項研究實現(xiàn)了有機太陽能電池性能和拉伸性的突破，新的材料設(shè)計原則也為未來開發(fā)更多高性能、本征柔性、可拉伸電子材料提供了指導(dǎo)，可廣泛應(yīng)用在可拉伸顯示、光電探測器等領(lǐng)域。