清華新聞網(wǎng)8月20日電 柔性電子技術(shù)在可穿戴領(lǐng)域引領(lǐng)了一場范式轉(zhuǎn)變。可穿戴設(shè)備的進(jìn)步高度依賴于柔性能源器件的發(fā)展，這些器件需提供高效率、耐用性和持續(xù)的電力輸出，同時能夠輕松集成。目前，商業(yè)可穿戴設(shè)備普遍依賴硬質(zhì)電池供電，不僅增加了系統(tǒng)剛性，限制了其機(jī)械順應(yīng)性，還需頻繁充電或更換電池。因此，研發(fā)一種集成了能量收集與存儲的柔性系統(tǒng)（FEHSS）變得尤為迫切。開發(fā)該系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)包括確保不同組件間的機(jī)械性能、光電及電學(xué)性能匹配，實現(xiàn)高功率輸出和長期穩(wěn)定運(yùn)行。此外，還需提升器件間的界面效能，確保人體長期佩戴的舒適性。
近日，清華大學(xué)深圳國際研究生院徐曉敏團(tuán)隊與周光敏團(tuán)隊等合作，報道了厚度僅90微米的超柔性能量收集-儲存一體化系統(tǒng)，該系統(tǒng)由超柔性高性能OPV組件與超薄鋅離子電池（ZIB）集成，其為可穿戴生物傳感系統(tǒng)及日常電子設(shè)備供電展示了FEHSS作為新一代可穿戴綠色能源設(shè)備的可行性（圖1）。
圖1.超柔性FEHSS的結(jié)構(gòu)和材料成分示意圖
超柔性有機(jī)光伏器件采用了PM6:O-IDTBR:Y6三元共混體系（圖2）。與常見的二元體系相比，三元體系拓寬了光吸收范圍，以能量級聯(lián)通道提升了供受體界面激子解離效率，具有更小π-π堆積距離。使用EDT鈍化ZnO電子傳輸層，進(jìn)一步提升了光照穩(wěn)定性。最終實現(xiàn)了單個器件光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）高達(dá)16.18%，黑暗惰性環(huán)境中逾1500小時的長壽命，以及50 mW cm-2光強(qiáng)下連續(xù)照明500小時后PCE保持初始值92%以上的高性能。
圖2.超柔性O(shè)PV器件單元的優(yōu)化和性能表征
基于超柔性O(shè)PV單元，研究人員進(jìn)一步設(shè)計出可調(diào)功率輸出的高性能OPV組件（圖3）。以有效面積6.72cm2的組件為例，總光電轉(zhuǎn)換效率PCE高達(dá)10.5%，峰值功率超過68.9mW，單位面積功率輸出達(dá)10.2mW cm-2。此外，超柔性O(shè)PV組件在不同光照強(qiáng)度下具備高效的功率輸出及優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度。
圖3.超柔性O(shè)PV模塊的結(jié)構(gòu)和性能表征
超薄鋅離子電池由鋅陰極、二氧化錳-石墨陽極和超薄水凝膠電解質(zhì)組成（圖4）。團(tuán)隊創(chuàng)新開發(fā)了10微米厚度的超薄聚乙烯醇-氧化石墨烯（PVA-GO）水凝膠，具有優(yōu)越的機(jī)械順應(yīng)性，且超薄特性彌補(bǔ)了微小容量損失。基于10μm超薄水凝膠電解質(zhì)構(gòu)建的超薄ZIB，總厚度僅為85μm，具備良好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。
圖4.超薄ZIB的制備和性能表征
FEHSS由超柔性O(shè)PV組件，超柔性有機(jī)光電二極管（OPD）與超薄ZIB組成（圖5）。值得一提的是，超柔性O(shè)PD具有良好的整流性能，可以有效防止電流從ZIB回流。三個ZIB串聯(lián)實現(xiàn)輸出電壓5.4V，光照充電具有可媲美傳統(tǒng)電源的充放電循環(huán)特性。FEHSS具有穩(wěn)定的效率表現(xiàn)，優(yōu)異的力學(xué)柔性和穩(wěn)定性，相比同類工作展現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能。
圖5.FEHSS的性能表征
FEHSS可以在自然環(huán)境下驅(qū)動多種電子設(shè)備（圖6）。由超柔性O(shè)PV和三個ZIB集成的FEHSS具有高于5.82 mWh cm-2的能量密度和5.4 V的輸出電壓。FEHSS集成于織物上，可驅(qū)動心電信號采集并實時傳輸至手機(jī)終端，助力健康管理。FEHSS亦可在不干擾用戶活動的情況下為智能手機(jī)、手表充電，是新型的戶外綠色能源方案。
圖6. FEHSS為可穿戴設(shè)備和電子產(chǎn)品供電
研究提供了高效的超柔性能量收集和存儲一體化系統(tǒng)，可以輕松無感地集成在人體和織物上用作通用電源，將有力推進(jìn)可穿戴設(shè)備和技術(shù)的發(fā)展。
近日，相關(guān)研究成果以“一種用于可穿戴設(shè)備的超柔性能量收集-存儲系統(tǒng)”（An Ultraflexible Energy Harvesting-Storage System for Wearable Applications）為題，發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
清華大學(xué)深圳國際研究生院2020級碩士生沙可欣（Sakeena Saifi）為論文第一作者，清華大學(xué)深圳國際研究生院副教授徐曉敏、中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院成會明院士為論文通訊作者。論文的其他作者還包括清華大學(xué)深圳國際研究生院副教授周光敏，慕尼黑工業(yè)大學(xué)教授彼得·穆勒-布施鮑姆（PeterMüller-Buschbaum），清華大學(xué)深圳國際研究生院2022級博士生肖瀟、2021級博士生程思敏、2023級博士生郭昊天等。研究得到國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金、深圳市科創(chuàng)委優(yōu)秀青年基礎(chǔ)研究項目、深圳市高等院校穩(wěn)定支持計劃重點(diǎn)項目、深圳市高層次人才團(tuán)隊項目和深圳市蓋姆石墨烯中心的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-50894-w
供稿：深圳國際研究生院
題圖設(shè)計：李柳依
編輯：李華山
審核：郭玲
