我科研團隊成功制備高效率柔性太陽(yáng)能電池

2月11日，記者從華中科技大學(xué)獲悉，該校武漢光電國家研究中心邵明教授、張新亮教授團隊成功實(shí)現了兼具優(yōu)異的機械柔韌性和高光電轉換效率的可拉伸太陽(yáng)能電池，為可穿戴設備提供了理想的供能解決方案。日前，相關(guān)研究成果“小分子受體增塑實(shí)現機械強韌且可拉伸的有機太陽(yáng)能電池”刊發(fā)在《科學(xué)》上。

隨著(zhù)可折疊手機、智能手表、健康監測設備等可穿戴和便攜性電子產(chǎn)品的普及，如何為這些設備提供高效、穩定且持續的供能成為關(guān)鍵挑戰。

傳統無(wú)機太陽(yáng)能電池(如硅電池)盡管光電轉換效率高，但因其剛性和脆性，難以滿(mǎn)足可穿戴設備、室內光伏等新應用場(chǎng)景的需求。有機太陽(yáng)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(shí)現彎折，但在大尺度的機械形變(如拉伸)條件下，光電性能仍會(huì )急劇下降乃至失效。

目前，高效率的有機太陽(yáng)能電池僅可承受<5%的拉伸形變。如何克服半導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(shí)獲得高的光電轉換效率和機械拉伸性的柔性光電子器件仍面臨著(zhù)巨大挑戰。

針對這一挑戰，邵明教授課題組前期對有機半導體的光電性能與力學(xué)性能進(jìn)行深入研究，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(lián)系，為理解非晶和多晶半導體中的載流子傳輸提供新的理解。

研究中，該團隊設計了一類(lèi)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，該受體材料表現出獨特的“增塑”效應。它能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，從而大幅提升薄膜的機械拉伸性能。

同時(shí)，該受體分子可以通過(guò)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(光伏轉換效率超過(guò)16%)的柔性/可拉伸太陽(yáng)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(lèi)柔性太陽(yáng)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(dòng)關(guān)節處，器件仍可正常工作。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(dòng)能力。

該研究也顛覆了傳統觀(guān)點(diǎn)——為實(shí)現高光電轉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晶性的薄膜，而這通常不可避免地會(huì )導致薄膜拉伸性的下降。該研究工作揭示了一項有機半導體普適設計原則——通過(guò)小分子受體側鏈的合理設計，可以調控其與聚合物給體的相互作用，同時(shí)實(shí)現高的光電轉換效率和優(yōu)異的力學(xué)性能。

“這項研究通過(guò)創(chuàng )新的材料組合，克服了電池中吸光層固有的脆性問(wèn)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(jià)道。