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天大葉龍教授 AFM：高分子復(fù)合電極在本征可拉伸有機(jī)光伏與傳感器的多功能應(yīng)用
2024-08-18  來(lái)源：高分子科技

  隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，柔性和可拉伸電子器件正迎來(lái)前所未有的發(fā)展機(jī)遇。柔性有機(jī)電子與光電器件因其成本效益高、材料來(lái)源豐富、易于規(guī)；圃臁⒁约澳軌蚺c人體皮膚緊密貼合的優(yōu)勢(shì)，正逐漸成為研究的重點(diǎn)。在這一領(lǐng)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(xué)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(lái)的智能設(shè)備和可穿戴技術(shù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。因此，發(fā)展高性能可拉伸電極對(duì)于推動(dòng)柔性和可拉伸電子設(shè)備的發(fā)展至關(guān)重要。


  針對(duì)這一挑戰(zhàn)，天津大學(xué)材料學(xué)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(fù)合電極（以下簡(jiǎn)稱(chēng) 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(xué)性能，獲得了光滑的表面以及優(yōu)異的延展性和電學(xué)性能，并被成功應(yīng)用于可拉伸傳感器和本征可拉伸有機(jī)光伏電池（IS-OPVs）中。構(gòu)建的可拉伸傳感器能夠準(zhǔn)確、及時(shí)地傳感手腕、肘部和手指各種關(guān)節(jié)應(yīng)變，其循環(huán)耐久性也得到了驗(yàn)證。更重要的是，以Strem-AT電極為底電極構(gòu)建的IS-OPVs實(shí)現(xiàn)了12.6%的能量轉(zhuǎn)換效率（PCE），其PCE80% 應(yīng)變高達(dá) 51%，并且在50%拉伸應(yīng)變下循環(huán)拉伸1000次后，IS-OPV的效率能達(dá)到初始效率的76%（圖1）。


圖1 Strem-AT 可拉伸復(fù)合電極的制備方法以及多功能應(yīng)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(xué)性能與電學(xué)性能兩者間的協(xié)同與平衡，在力學(xué)與電學(xué)性能方面都存在瓶頸。因此，研究團(tuán)隊(duì)首先利用噴涂策略構(gòu)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(fù)合電極。通過(guò)引入表面噴涂結(jié)構(gòu)的電極作為對(duì)比，證實(shí)了Strem-AT可拉伸復(fù)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(xué)性能，即使拉伸應(yīng)變達(dá)到 100%，Strem-AT可拉伸復(fù)合電極的電阻仍保持相對(duì)恒定（圖2）。


圖2 Strem-AT 可拉伸復(fù)合電極的形貌表征


  基于Strem-AT可拉伸復(fù)合電極優(yōu)異的電學(xué)性能，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步證實(shí)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(duì)電極在不同應(yīng)變（微應(yīng)變和大應(yīng)變）和不同拉伸速率下的電學(xué)穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)證，Strem-AT可拉伸復(fù)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(xué)性能（圖3）。該團(tuán)隊(duì)將Strem-AT可拉伸復(fù)合電極作為應(yīng)變傳感器應(yīng)用于人體各種關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)，包括食指、手腕、肘關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)。結(jié)果顯示，在每個(gè)關(guān)節(jié)處進(jìn)行彎曲和拉伸運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器均產(chǎn)生穩(wěn)定的電阻變化信號(hào)（圖4）。


圖 3 Strem-AT可拉伸復(fù)合電極的電學(xué)性能表征


圖 4 Strem-AT可拉伸復(fù)合電極的傳感測(cè)試與應(yīng)用


  最后，該團(tuán)隊(duì)將Strem-AT可拉伸復(fù)合電極作為底部電極構(gòu)建IS-OPVs，其PCE達(dá)到了12.6%。更重要的是，在機(jī)械穩(wěn)定性方面，IS-OPVs保持初始效率的80%時(shí)（PCE80%），其拉伸應(yīng)變超過(guò)了50%。當(dāng)IS-OPVs處于50%的拉伸應(yīng)變下，經(jīng)歷1000次循環(huán)拉伸過(guò)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(jī)械穩(wěn)定性，顯示了其在可穿戴電子設(shè)備中極大的應(yīng)用潛力（圖5）。相關(guān)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(fù)合電極在IS-OPVs中的應(yīng)用


  上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、天津市杰出青年科學(xué)基金、天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心以及天津大學(xué)北洋學(xué)者英才計(jì)劃的資助。天津大學(xué)材料學(xué)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(xué)呂鵬飛研究員、南京林業(yè)大學(xué)趙文超教授和閩江學(xué)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(zé)任編輯：xu）
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