可折叠手机、智能手表健康监测设备等可穿戴电子产品越来越普及，如何为这些设备提供高效、稳定且持续的供能？华中科技大学武汉光电国家研究中心邵明教授、张新亮教授团队实现了兼具优异的机械柔韧性和高光电转换效率的可拉伸太阳能电池。相关成果日前发表在《科学》上。
论文截图。
专家介绍，传统无机太阳能电池尽管光电转换效率高，但因其刚性和脆性，难以满足可穿戴设备、室内光伏等新应用场景的需求。有机太阳能电池虽然具有轻、薄特性且具有一定的机械柔韧性，可以实现弯折，但在大尺度的机械形变条件下，光电性能仍会急剧下降乃至失效。目前，高效率的有机太阳能电池仅可承受<5%的拉伸形变。
针对这一挑战，邵明课题组前期对有机半导体的光电性能与力学性能进行了深入研究，系统探索了半导体分子结构和薄膜结晶性，电子给体和受体之间相互作用的内在联系，为理解非晶和多晶半导体中的载流子传输提供了新的理解。
在研究中，团队设计了一类全新的小分子受体材料BTP-Si4。该受体材料表现出独特的“增塑”效应，能够大比例渗入到活性层聚合物给体的非晶区域，增大聚合物链段的“自由体积”，利于聚合物链段在外界应力作用下滑移并重新取向，并有效降低了整体光活性层薄膜的结晶性，从而大幅提升了薄膜的机械拉伸性能。该器件可与人体皮肤完美共形，即使贴附在手指、手腕、膝盖等大形变的活动关节处，器件仍可正常工作。该器件还可以在室外和室内光照射下为大多数可穿戴电子器件提供足够的驱动能力。
《科学》编辑Phil Szuromi评价道：“这项研究通过创新的材料组合，克服了电池中吸光层固有的脆性问题，展示了小分子受体在增强延展性和保持电子迁移率方面的独特作用。”
据悉，该项研究实现了有机太阳能电池性能和拉伸性的突破，新的材料设计原则也为未来开发更多高性能、本征柔性、可拉伸电子材料提供了指导，可广泛应用在可拉伸显示、光电探测器等领域。
相关论文信息：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp9709
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