这个电池,有点柔!
Nano Research 2021-04-05
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第一作者:阚斌
通讯作者:余存江
通讯单位:美国休斯顿大学

研究背景
在过去的几十年中,得益于有机光伏材料和器件工程技术的不断发展,基于溶液法制造的有机太阳能电池(OSC)在刚性和柔性基底上分别实现了超过18%和16%的光电转换效率。尽管围绕OSC的大部分研究都集中在如何提升效率和降低成本上,OSC在许多关键应用中的潜力也不可忽视,特别是在生物医学领域。

成果简介
有鉴于此,美国休斯顿大学余存江教授等人总结概述了高性能有机光伏材料和柔性OSC的最新研究成果,并为OSC的快速发展提供指导。随后,作者系统阐述了OSC在生物医学设备和集成系统中的应用取得的进展和潜在挑战。最后,提出了OSC的应用挑战,为具有OSC和生物电子学的集成设备指明了未来发展方向。

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要点1:高性能有机光伏材料
作者首先概述了高性能有机光伏材料的最新进展。在几十纳米尺度上的具有互穿D/A网络的吸光活性层的形貌,对于实现高效率是至关重要的。在所述的D/A共混物中添加第三种或第四种成分,可以有效地调节活性层形貌并调节其能级分布,从而改善整体性能。基于ITO的刚性基底上,这些有机光伏材料有助于推动高性能柔性器件的开发应用。进一步发展具有优异的电荷传输能力和稳定性的窄带隙材料,仍然值得重点关注。

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图1. 典型的聚合物给体材料和小分子受体、给体材料的化学结构

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图2. 典型的聚合物给体、受体材料和小分子给体材料的化学结构

要点2:柔性有机太阳能电池
随后,作者总结了基于ITO、Ag NW(银纳米线)和PEDOT:PSS的高效、柔性、超薄器件。目前,在具有不同器件结构(例如,正向和翻转器件,单结和串联多结器件)和各种有机光伏材料(例如,富勒烯和非富勒烯材料、二元和三元混合物)的柔性OSC中,已证明了OSC具有出色的效率和机械柔韧性。这些结果凸显了OSC在生物电子应用中的巨大潜力。但是,电池的长期稳定性仍然是OSC面临的巨大挑战,这在未来的柔性电池开发中应予以考虑。

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图3. 基于ITO传输电极的柔性OSC

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图4. 基于AgNW传输电极的柔性OSC

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图5. 基于PEDOT: PSS传输电极的柔性OSC

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图6. 基于PEDOT:PSS或AgNWs传输电极的超薄柔性OSC

要点3:生物医学设备中的OSC
研究人员系统讨论了OSC在植入式生物医学设备和传感器中的几种应用。OSC器件作为一种发电设备,已与自供电生物电子设备中的其他组件组合在一起。然而,尽管已经实现了高效率和柔性,但在生物医学领域中对OSC的探索或实施案例却相对较少。设计和制造由高效、柔性的OSC驱动的生物电子产品将是未来发展必经之路。

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图7. OSC/OBEI集成系统对PC12细胞发挥ES效应的示意图

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图8. 用于生物电子学的OSC/OECT集成系统的示意图

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图9.用于生物电子学的OSC/PTME集成系统的示意图

小结
在此综述中,研究人员首先讨论了高性能有机光伏材料、柔性OSC以及OSC在生物医学设备中的应用的发展趋势。OSC的这些优点为其集成在自供电生物电子生物组织的上下表面铺平了道路。现有研究展示了其在生物医学设备中的巨大应用潜力。

为了进一步满足新兴生物医学设备的需求,需要不断改进OSC的整体效率和长期稳定性。在提高器件性能的同时,应当维持对人体皮肤和组织的轻剂量低于组织光学安全性阈值。开发可以吸收近红外光(NIR)有机光伏材料并用于柔性的OSC在用于生物医学应用中具有重要的意义。

除了长期稳定性之外,柔性OSC必须顺应目标表面以避免对人体皮肤或组织的机械损伤此外,柔性OSC的生物相容性、溶解性或可回收性的研究对长期生物医学设备也是至关重要的。

除发电OSC单元外,还需要在OSC上集成多种生物医学功能,如不同类型的物理和生化传感器,药物输送等,非遗传的光学刺激也可能会照亮其未来在新型生物电子学方面的应用。研究人员预见在不久的将来,OSC在创建新型生物医学设备方面的利用率将会持续提高。

参考文献:
Kan, B., Ershad, F., Rao, Z. et al. Flexible organic solar cells for biomedical devices. Nano Res. (2021).
https://doi.org/10.1007/s12274-021-3386-z
https://link.springer.com/article/10.1007/s12274-021-3386-z


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