半導體產業(yè)網消息：近日，南方科技大學力學與航空航天工程系教授鄧巍巍課題組打印制備了可進行光追蹤的剪紙結構有機光伏電池，相關研究成果以“Printed Kirigami Organic Photovoltaics for Efficient Solar Tracking”為題在Advanced Functional Materials上發(fā)表。
有機太陽能電池（Organic Photovoltaics, OPV）具有輕、薄、柔性的優(yōu)勢，可以開發(fā)出傳統(tǒng)光伏技術難以實現(xiàn)的新技術，拓展在柔性電子領域的應用。在真實應用場景中，一天內和不同季節(jié)，日照角度會有所變化，在陽光非垂直入射的情況下，投影面積減小，會造成光伏電池表面輻射照度減小，從而造成光吸收能量的損失（圖1a）。通過光線追蹤，使光伏電池表面隨著光源入射角度的變化而轉動，可以保持光線正入射到光伏電池表面。然而傳統(tǒng)光線追蹤方法依靠機械運動機構，不適用于薄膜電池。剪紙可以把平面的紙變化為形態(tài)各異的立體結構，這其中蘊含了數學思想和工程力學原理。鄧巍巍教授課題組設計了一種類似百葉窗的鉸鏈剪紙結構，并首次應用于有機光伏電池的光追蹤。剪紙結構由H-kirigami由鉸鏈 (hinge)、拉伸桿 (beam) 和器件區(qū) (device region)組成，三部分承擔不同角色（圖1b）。在拉伸桿受單軸拉伸力時微鉸鏈發(fā)生面外屈曲形變，帶動器件區(qū)轉動，實現(xiàn)光伏電池的光追蹤（圖1c）。有機光伏電池結構為Polycarbonate/PH1000/PEDOT:PSS4083/D18:Y6/PNDIT-F3N/Ag（圖1d）。
圖1 柔性剪紙OPV器件光追蹤原理與結構：（a）光追蹤提高光利用率的原理；（b）剪紙鉸鏈示意圖；（c）剪紙OPV拉伸狀態(tài)；（d）柔性OPV器件結構。
OPV器件在具有剪紙切口的柔性基底上成膜，考慮到基底的柔性、避免切割過程造成器件污染和材料浪費等因素，采用靜電噴霧來制備OPV活性層薄膜（圖2）。靜電噴霧可以產生單分散、亞微米級、定向性好的液滴，適合非接觸式打印納米級厚度的薄膜。
圖2 剪紙OPV制備流程圖
鉸鏈幾何尺寸和器件區(qū)的形狀設計靈活，可根據具體應用場景選用不同的幾何參數和平面形狀，最大轉動角度與特征長度l/x相關（圖3a）。有限元計算展示了剪紙結構在拉伸狀態(tài)下不同區(qū)域的應力分布狀態(tài)：應力只集中在微鉸鏈區(qū)，而器件區(qū)無應力分布，這保證了器件所在區(qū)域的力學穩(wěn)定性（圖3b）。
圖3 剪紙結構設計：（a）鉸鏈與器件區(qū)域的幾何結構；（b）不同特征尺度鉸鏈在拉伸狀態(tài)下的應力云圖。
通過拉伸轉動剪紙OPV器件對進行光線追蹤的測試表明（圖4a），隨著特征長度的增大，器件的最大轉向角增大，最大應力減小，當拉桿寬度為1 mm、特征長度為10的情況下，最大追蹤角可以達到75°，考慮到建筑物和山體遮擋，這已經滿足了絕大部分應用場景的光追蹤需求。柔性剪紙OPV器件光電轉換效率達到14.15%，而且在最大光追蹤角度下，光耦合效率仍接近100%（圖4b）。經過了20000次循環(huán)拉伸后，器件效率保持不變。該研究還設計制備了大面積剪紙OPV器件陣列，通過拉伸桿實現(xiàn)各個器件區(qū)域的連接（圖4c）。0.6 cm2柔性剪紙有機光伏電池陣列實現(xiàn)了超過10%的光電轉換效率。
圖4 （a）光追蹤與機械性能拉伸測試；（b）光耦合效率；（c）OPV剪紙器件3×3陣列未拉伸（左）與拉伸（右）狀態(tài)。
該研究的剪紙結構設計為有機光伏電池的應用提供了新的思路，靜電霧化打印適合發(fā)展卷對卷工藝。器件區(qū)域和拉伸區(qū)域的獨立設計，為可拉伸柔性電子設計提供了新的設計方案。剪紙結構具有良好的可拉伸性，且不依賴功能材料的性質，具有普適性，有望為OPV在柔性電子領域的應用開拓新的方向，為高度可拉伸、大形變的柔性電子自供電OPV電源提供新的可能。
南科大為論文第一單位。南科大2019級碩士生李亞星為論文第一作者，南科大訪問學生常凱（南京郵電大學博士研究生）、南科大博士生于博洋、碩士生常敬愉、劉霖娜和劉炳楊為論文共同作者。南科大前沿與交叉科學研究院研究副教授趙新彥和鄧巍巍為共同通訊作者。該研究獲得了國家自然科學基金和深圳市軟材料力學與智造重點實驗室的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202204004
