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我國科研團隊成功制備高效率柔性太陽能電池
2025年02月12日 11:16:28
來源：化工儀器網(wǎng) 點擊量：5773
華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心邵明教授、張新亮教授團隊成功實現(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，為可穿戴設(shè)備提供了理想的供能解決方案。
近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，人們對電子產(chǎn)品的需求日益多樣化。可折疊手機、智能手表、健康監(jiān)測設(shè)備等產(chǎn)品的興起，為眾多用戶提供了更為豐富的智能體驗。然而，盡管前景向好，這些電子產(chǎn)品也面臨著一些實質(zhì)性挑戰(zhàn)——如何為這些設(shè)備提供高效、穩(wěn)定且持續(xù)的供能。
就在近日，華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心邵明教授、張新亮教授團隊成功實現(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，為可穿戴設(shè)備提供了理想的供能解決方案。相關(guān)研究成果發(fā)表在《科學(xué)》上。
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。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(dá)95.5%的極限拉伸形變，遠(yuǎn)超此前報道的各類柔性太陽能電池。
值得關(guān)注的是，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。
高效率柔性/可拉伸太陽能電池的研發(fā)成功，不僅彰顯了我國在新能源材料研究領(lǐng)域的實力，也為眾多新興電子產(chǎn)品的發(fā)展注入了新的活力。未來，隨著技術(shù)的進一步優(yōu)化與應(yīng)用，更加環(huán)保、高效的能源儲存技術(shù)有望加速走向現(xiàn)實，為更多領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展貢獻更多力量。
素材來源：科技日報
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