隨著可折疊手機(jī)、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(jī)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(jī)太陽能電池(OPV)雖然具有輕、薄特性且具有一定的機(jī)械柔韌性，可以實(shí)現(xiàn)彎折，但在大尺度的機(jī)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(jī)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(jī)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(zhuǎn)換效率和機(jī)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(jī)半導(dǎo)體的光電性能與力學(xué)性能進(jìn)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(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(dú)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(jī)械拉伸性能。
同時(shí)，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。基于該小分子受體和超高延展性的聚合物給體(PNTB6-Cl)的共混活性層薄膜，團(tuán)隊(duì)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(dá)95.5%的極限拉伸形變，遠(yuǎn)超此前報(bào)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(diǎn)——為實(shí)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(xiàng)有機(jī)半導(dǎo)體普適設(shè)計(jì)原則——通過小分子受體側(cè)鏈的合理設(shè)計(jì)，可以調(diào)控其與聚合物給體的相互作用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高的光電轉(zhuǎn)換效率和優(yōu)異的力學(xué)性能。
“這項(xiàng)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(qiáng)延展性和保持電子遷移率方面的獨(dú)特作用。”《科學(xué)》雜志編輯評價(jià)道。
