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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網時代的到來，柔性和可拉伸電子器件正迎來前所未有的發展機遇。柔性有機電子與光電器件因其成本效益高、材料來源豐富、易于規模化制造、以及能夠與人體皮膚緊密貼合的優勢，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異的變形能力，還要求其在電學性能、可靠性和穩定性方面表現出色。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揮關鍵作用。因此，發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展至關重要。

針對這一挑戰，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應變，其循環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異的粘附穩定性。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定性進行了驗證，Strem-AT可拉伸復合電極始終表現出優異的穩定性，即便在經歷1000次循環拉伸之后，電極依然保持穩定的電學性能（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的運動監測，包括食指、手腕、肘關節和膝關節。結果顯示，在每個關節處進行彎曲和拉伸運動時，傳感器均產生穩定的電阻變化信號（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，經歷1000次循環拉伸過程后，其 PCE 值依然可以保持初始效率值的 76％，展現出極為優異的機械穩定性，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、天津化學化工協同創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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