AFM: 剪纸有机光伏电池

2022-05-24 03:05

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随着柔性电子器件，尤其是可穿戴、可植入器件的快速发展，亟需能够实现对柔性和可拉伸电子器件进行自供电的电源。有机太阳能电池（Organic Photovoltaics, OPV）具有轻、薄、柔性的优势，可以开发出传统光伏技术难以实现的应用领域，拓展在柔性电子领域的应用。在真实应用场景中，一天内和不同季节日照角度会有所变化，剪纸结构通过简洁的设计和切割，可以实现光线追踪并兼具可拉伸和透气性，是很有潜力的有机光伏器件构形。

阳光非垂直入射的情况下，投影面积减小，会造成光伏电池表面辐射照度减小，从而造成光吸收能量的损失（图1a）。通过光线追踪，使光伏电池表面随着光源入射角度的变化而转动，可以保持光线正入射到光伏电池表面。然而传统光线追踪方法依靠机械运动机构，不适用于薄膜电池。剪纸可以把平面的纸变化为形态各异的立体结构，这其中蕴含了数学思想和工程力学原理。近日，研究人员设计了一种新型的类似百叶窗的铰链剪纸结构，并首次应用于有机光伏电池的光追踪。剪纸结构由H-kirigami由铰链 (hinge)，拉伸杆 (beam) 和器件区 (device region)组成，三部分承担不同角色（图1b）。在拉伸杆受单轴拉伸力时微铰链发生面外屈曲形变，带动器件区转动，实现光伏电池的光追踪（图1c）。有机光伏电池结构为Polycarbonate/PH1000/PEDOT:PSS4083/D18:Y6/ PNDIT-F3N/Ag（图1d）。

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图1 柔性剪纸OPV器件光追踪原理与结构：（a）光追踪提高光利用率的原理；（b）剪纸铰链示意图；（c）剪纸OPV拉伸转动；（d）柔性OPV器件结构。

OPV器件在具有剪纸切口的柔性基底上成膜，考虑到基底的柔性、避免切割过程造成器件污染和材料浪费等因素，采用静电喷雾来制备OPV活性层薄膜（图2）。静电喷雾可以产生单分散、亚微米级、定向性好的液滴，适合非接触式打印纳米级厚度的薄膜。

图2 剪纸OPV制备流程图

铰链几何尺寸和器件区的形状设计灵活，可根据具体应用场景选用不同的几何参数和平面形状，最大转动角度与特征长度l/x相关（图3a）。有限元计算展示了剪纸结构在拉伸状态下不同区域的应力分布状态：应力只集中在微铰链区，而器件区无应力分布，这保证了器件所在区域的力学稳定性（图3b）。

图3 剪纸结构设计：（a）铰链与器件区域的几何结构；（b）不同特征尺度铰链在拉伸状态下的应力云图。

通过拉伸转动剪纸OPV器件对进行光线追踪的测试表明（图4a），随着特征长度的增大，器件的最大转向角增大，最大应力减小，当拉杆宽度为1 mm、特征长度为10的情况下，最大追踪角可以达到75°，考虑到建筑物和山体遮挡，这已经满足了绝大部分应用场景的光追踪需求。柔性剪纸OPV器件光电转换效率效率达到14.15%，而且在最大光追踪角度下，光耦合效率仍接近100%（图4b）。经过了20000次循环拉伸后，器件效率保持不变。该研究还设计制备了大面积剪纸OPV器件阵列，通过拉伸杆实现各个器件区域的连接（图4c）。0.6 cm2柔性剪纸有机光伏电池阵列实现了超过10%的光电转换效率。

图4 （a）光追踪与机械性能拉伸测试；（b）光耦合效率；（c）OPV剪纸器件3×3阵列未拉伸（左）与拉伸（右）状态。

该研究的剪纸结构设计为有机光伏电池的应用提供了新的思路，静电雾化打印适合发展卷对卷工艺。器件区域和拉伸区域的独立设计，为可拉伸柔性电子设计提供了新的设计方案。剪纸结构具有良好的可拉伸性，且不依赖功能材料的性质，具有普适性，有望为OPV在柔性电子领域的应用开拓新的方向，为高度可拉伸、大形变的柔性电子自供电OPV电源提供新的可能。

论文以“Printed Kirigami Organic Photovoltaics for Efficient Solar Tracking”为题，发表在Advanced Functional Materials上，南方科技大学为本文的第一单位和通讯单位。南科大前沿与交叉科学研究院的赵新彦研究副教授和力学与航空航天工程系邓巍巍教授为共同通讯作者。南科大2019级硕士生李亚星为第一作者，南科大访问学生常凯（南京邮电大学博士研究生）、南科大博士生于博洋、硕士生常敬愉、刘霖娜和刘炳杨为共同作者。该研究获得了国家自然科学基金和深圳市软材料力学与智造重点实验室的支持。