隨著可折疊手機、智能手表、健康監(jiān)測設(shè)備等可穿戴和便攜性電子產(chǎn)品的普及，如何為這些設(shè)備提供高效、穩(wěn)定且持續(xù)的供能成為關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
傳統(tǒng)無機太陽能電池(如硅電池)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(OPV)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(如拉伸)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。如何克服半導(dǎo)體光電性能和機械性能之間普遍存在的相互制約關(guān)系，同時獲得高的光電轉(zhuǎn)換效率和機械拉伸性的柔性光電子器件仍面臨著巨大挑戰(zhàn)。
針對這一挑戰(zhàn)，邵明教授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新的理解。
研究中，該團隊設(shè)計了一類全新的小分子受體材料BTP-Si4。與目前廣泛使用的富勒烯和非富勒烯小分子受體不同，該受體材料表現(xiàn)出獨特的“增塑”效應(yīng)。它能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，從而大幅提升薄膜的機械拉伸性能。
同時，該受體分子可以通過緊密的3D堆疊保持高效的電荷傳輸，具有高電子遷移率?；谠撔》肿邮荏w和超高延展性的聚合物給體(PNTB6-Cl)的共混活性層薄膜，團隊成功制備了高效率(光伏轉(zhuǎn)換效率超過16%)的柔性/可拉伸太陽能電池，器件可承受高達95.5%的極限拉伸形變，遠超此前報道的各類柔性太陽能電池。
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。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。
該研究也顛覆了傳統(tǒng)觀點——為實現(xiàn)高光電轉(zhuǎn)換效率和高載流子遷移率，需要采用剛性平面的分子骨架并獲得高結(jié)晶性的薄膜，而這通常不可避免地會導(dǎo)致薄膜拉伸性的下降。該研究工作揭示了一項有機半導(dǎo)體普適設(shè)計原則——通過小分子受體側(cè)鏈的合理設(shè)計，可以調(diào)控其與聚合物給體的相互作用，同時實現(xiàn)高的光電轉(zhuǎn)換效率和優(yōu)異的力學(xué)性能。
“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。”《科學(xué)》雜志編輯評價道。
