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天大葉龍教授 AFM：高分子復合電極在本征可拉伸有機光伏與傳感器的多功能應用

2024-08-18 來源：高分子科技

隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，柔性和可拉伸電子器件正迎來前所未有的發(fā)展機遇。柔性有機電子與光電器件因其成本效益高、材料來源豐富、易于規(guī)模化制造、以及能夠與人體皮膚緊密貼合的優(yōu)勢，正逐漸成為研究的重點。在這一領域，理想的電子器件不僅需要具備優(yōu)異的變形能力，還要求其在電學性能、可靠性和穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出色。這些特性將確保柔性電子器件在未來的智能設備和可穿戴技術中發(fā)揮關鍵作用。因此，發(fā)展高性能可拉伸電極對于推動柔性和可拉伸電子設備的發(fā)展至關重要。

針對這一挑戰(zhàn)，天津大學材料學院葉龍教授課題組制備了一種可拉伸銀納米線/熱塑性彈性體復合電極（以下簡稱 Strem-AT）。該電極利用高分子熱塑性彈性體的粘彈性和出色的力學性能，獲得了光滑的表面以及優(yōu)異的延展性和電學性能，并被成功應用于可拉伸傳感器和本征可拉伸有機光伏電池（IS-OPVs）中。構建的可拉伸傳感器能夠準確、及時地傳感手腕、肘部和手指各種關節(jié)應變，其循環(huán)耐久性也得到了驗證。更重要的是，以Strem-AT電極為底電極構建的IS-OPVs實現(xiàn)了12.6%的能量轉換效率（PCE），其PCE_80% 應變高達 51%，并且在50%拉伸應變下循環(huán)拉伸1000次后，IS-OPV的效率能達到初始效率的76%（圖1）。

圖1 Strem-AT 可拉伸復合電極的制備方法以及多功能應用

盡管已經(jīng)有許多研究工作聚焦于可拉伸電極，但是囿于可拉伸電極力學性能與電學性能兩者間的協(xié)同與平衡，在力學與電學性能方面都存在瓶頸。因此，研究團隊首先利用噴涂策略構筑均勻的圖案化AgNWs薄膜，接著將TPU溶液澆筑在AgNWs薄膜表面，熱退火后剝離得到Strem-AT可拉伸復合電極。通過引入表面噴涂結構的電極作為對比，證實了Strem-AT可拉伸復合電極具有更光滑的表面形貌、良好的透光性以及優(yōu)異的電學性能，即使拉伸應變達到 100%，Strem-AT可拉伸復合電極的電阻仍保持相對恒定（圖2）。

圖2 Strem-AT 可拉伸復合電極的形貌表征

基于Strem-AT可拉伸復合電極優(yōu)異的電學性能，研究團隊進一步證實了電極良好的靈敏度以及優(yōu)異的粘附穩(wěn)定性。隨后，他們對電極在不同應變（微應變和大應變）和不同拉伸速率下的電學穩(wěn)定性進行了驗證，Strem-AT可拉伸復合電極始終表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，即便在經(jīng)歷1000次循環(huán)拉伸之后，電極依然保持穩(wěn)定的電學性能（圖3）。該團隊將Strem-AT可拉伸復合電極作為應變傳感器應用于人體各種關節(jié)的運動監(jiān)測，包括食指、手腕、肘關節(jié)和膝關節(jié)。結果顯示，在每個關節(jié)處進行彎曲和拉伸運動時，傳感器均產(chǎn)生穩(wěn)定的電阻變化信號（圖4）。

圖 3 Strem-AT可拉伸復合電極的電學性能表征

圖 4 Strem-AT可拉伸復合電極的傳感測試與應用

最后，該團隊將Strem-AT可拉伸復合電極作為底部電極構建IS-OPVs，其PCE達到了12.6%。更重要的是，在機械穩(wěn)定性方面，IS-OPVs保持初始效率的80%時（PCE_80%），其拉伸應變超過了50%。當IS-OPVs處于50%的拉伸應變下，經(jīng)歷1000次循環(huán)拉伸過程后，其 PCE 值依然可以保持初始效率值的 76％，展現(xiàn)出極為優(yōu)異的機械穩(wěn)定性，顯示了其在可穿戴電子設備中極大的應用潛力（圖5）。相關成果以“Intrinsically Stretchable Organic Solar Cells and Sensors Enabled by Extensible Composite Electrodes ”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials, 2024, DOI: 10.1002/adfm.202407392.

圖 5 Strem-AT可拉伸復合電極在IS-OPVs中的應用

上述工作得到了國家自然科學基金、天津市杰出青年科學基金、天津化學化工協(xié)同創(chuàng)新中心以及天津大學北洋學者英才計劃的資助。天津大學材料學院研究生韓德霞是論文第一作者，葉龍教授和李鑫博士為論文的通訊作者。研究工作還得到了江南大學呂鵬飛研究員、南京林業(yè)大學趙文超教授和閩江學院柯惠珍副教授的大力支持與幫助。

全文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202407392

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（責任編輯：xu）

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