天大叶龙教授 AFM：高分子复合电极在本征可拉伸有机光伏与传感器的多功能应用

2024-08-18 来源：高分子科技

随着人工智能和物联网时代的到来，柔性和可拉伸电子器件正迎来前所未有的发展机遇。柔性有机电子与光电器件因其成本效益高、材料来源丰富、易于规模化制造、以及能够与人体皮肤紧密贴合的优势，正逐渐成为研究的重点。在这一领域，理想的电子器件不仅需要具备优异的变形能力，还要求其在电学性能、可靠性和稳定性方面表现出色。这些特性将确保柔性电子器件在未来的智能设备和可穿戴技术中发挥关键作用。因此，发展高性能可拉伸电极对于推动柔性和可拉伸电子设备的发展至关重要。

针对这一挑战，天津大学材料学院叶龙教授课题组制备了一种可拉伸银纳米线/热塑性弹性体复合电极（以下简称 Strem-AT）。该电极利用高分子热塑性弹性体的粘弹性和出色的力学性能，获得了光滑的表面以及优异的延展性和电学性能，并被成功应用于可拉伸传感器和本征可拉伸有机光伏电池（IS-OPVs）中。构建的可拉伸传感器能够准确、及时地传感手腕、肘部和手指各种关节应变，其循环耐久性也得到了验证。更重要的是，以Strem-AT电极为底电极构建的IS-OPVs实现了12.6%的能量转换效率（PCE），其PCE_80% 应变高达 51%，并且在50%拉伸应变下循环拉伸1000次后，IS-OPV的效率能达到初始效率的76%（图1）。

图1 Strem-AT 可拉伸复合电极的制备方法以及多功能应用

尽管已经有许多研究工作聚焦于可拉伸电极，但是囿于可拉伸电极力学性能与电学性能两者间的协同与平衡，在力学与电学性能方面都存在瓶颈。因此，研究团队首先利用喷涂策略构筑均匀的图案化AgNWs薄膜，接着将TPU溶液浇筑在AgNWs薄膜表面，热退火后剥离得到Strem-AT可拉伸复合电极。通过引入表面喷涂结构的电极作为对比，证实了Strem-AT可拉伸复合电极具有更光滑的表面形貌、良好的透光性以及优异的电学性能，即使拉伸应变达到 100%，Strem-AT可拉伸复合电极的电阻仍保持相对恒定（图2）。

图2 Strem-AT 可拉伸复合电极的形貌表征

基于Strem-AT可拉伸复合电极优异的电学性能，研究团队进一步证实了电极良好的灵敏度以及优异的粘附稳定性。随后，他们对电极在不同应变（微应变和大应变）和不同拉伸速率下的电学稳定性进行了验证，Strem-AT可拉伸复合电极始终表现出优异的稳定性，即便在经历1000次循环拉伸之后，电极依然保持稳定的电学性能（图3）。该团队将Strem-AT可拉伸复合电极作为应变传感器应用于人体各种关节的运动监测，包括食指、手腕、肘关节和膝关节。结果显示，在每个关节处进行弯曲和拉伸运动时，传感器均产生稳定的电阻变化信号（图4）。

图 3 Strem-AT可拉伸复合电极的电学性能表征

图 4 Strem-AT可拉伸复合电极的传感测试与应用

最后，该团队将Strem-AT可拉伸复合电极作为底部电极构建IS-OPVs，其PCE达到了12.6%。更重要的是，在机械稳定性方面，IS-OPVs保持初始效率的80%时（PCE_80%），其拉伸应变超过了50%。当IS-OPVs处于50%的拉伸应变下，经历1000次循环拉伸过程后，其 PCE 值依然可以保持初始效率值的 76％，展现出极为优异的机械稳定性，显示了其在可穿戴电子设备中极大的应用潜力（图5）。相关成果以“Intrinsically Stretchable Organic Solar Cells and Sensors Enabled by Extensible Composite Electrodes ”为题发表在Advanced Functional Materials, 2024, DOI: 10.1002/adfm.202407392.

图 5 Strem-AT可拉伸复合电极在IS-OPVs中的应用

上述工作得到了国家自然科学基金、天津市杰出青年科学基金、天津化学化工协同创新中心以及天津大学北洋学者英才计划的资助。天津大学材料学院研究生韩德霞是论文第一作者，叶龙教授和李鑫博士为论文的通讯作者。研究工作还得到了江南大学吕鹏飞研究员、南京林业大学赵文超教授和闽江学院柯惠珍副教授的大力支持与帮助。

全文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202407392

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（责任编辑：xu）

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