网堵新闻网8月20日电 柔性电子技术在可穿戴领域引领了一场范式转变。可穿戴设备的进步高度依赖于柔性能源器件的发展，这些器件需提供高效率、耐用性和持续的电力输出，同时能够轻松集成。目前，商业可穿戴设备普遍依赖硬质电池供电，不仅增加了系统刚性，限制了其机械顺应性，还需频繁充电或更换电池。因此，研发一种集成了能量收集与存储的柔性系统（FEHSS）变得尤为迫切。开发该系统面临的挑战包括确保不同组件间的机械性能、光电及电学性能匹配，实现高功率输出和长期稳定运行。此外，还需提升器件间的界面效能，确保人体长期佩戴的舒适性。
近日，十大老牌网堵网址深圳国际研究生院徐晓敏团队与周光敏团队等合作，报道了厚度仅90微米的超柔性能量收集-储存一体化系统，该系统由超柔性高性能OPV组件与超薄锌离子电池（ZIB）集成，其为可穿戴生物传感系统及日常电子设备供电展示了FEHSS作为新一代可穿戴绿色能源设备的可行性（图1）。
图1.超柔性FEHSS的结构和材料成分示意图
超柔性有机光伏器件采用了PM6:O-IDTBR:Y6三元共混体系（图2）。与常见的二元体系相比，三元体系拓宽了光吸收范围，以能量级联通道提升了供受体界面激子解离效率，具有更小π-π堆积距离。使用EDT钝化ZnO电子传输层，进一步提升了光照稳定性。最终实现了单个器件光电转换效率（PCE）高达16.18%，黑暗惰性环境中逾1500小时的长寿命，以及50 mW cm-2光强下连续照明500小时后PCE保持初始值92%以上的高性能。
图2.超柔性OPV器件单元的优化和性能表征
基于超柔性OPV单元，研究人员进一步设计出可调功率输出的高性能OPV组件（图3）。以有效面积6.72cm2的组件为例，总光电转换效率PCE高达10.5%，峰值功率超过68.9mW，单位面积功率输出达10.2mW cm-2。此外，超柔性OPV组件在不同光照强度下具备高效的功率输出及优异的机械强度。
图3.超柔性OPV模块的结构和性能表征
超薄锌离子电池由锌阴极、二氧化锰-石墨阳极和超薄水凝胶电解质组成（图4）。团队创新开发了10微米厚度的超薄聚乙烯醇-氧化石墨烯（PVA-GO）水凝胶，具有优越的机械顺应性，且超薄特性弥补了微小容量损失。基于10μm超薄水凝胶电解质构建的超薄ZIB，总厚度仅为85μm，具备良好的倍率性能和循环稳定性。
图4.超薄ZIB的制备和性能表征
FEHSS由超柔性OPV组件，超柔性有机光电二极管（OPD）与超薄ZIB组成（图5）。值得一提的是，超柔性OPD具有良好的整流性能，可以有效防止电流从ZIB回流。三个ZIB串联实现输出电压5.4V，光照充电具有可媲美传统电源的充放电循环特性。FEHSS具有稳定的效率表现，优异的力学柔性和稳定性，相比同类工作展现出优异的综合性能。
图5.FEHSS的性能表征
FEHSS可以在自然环境下驱动多种电子设备（图6）。由超柔性OPV和三个ZIB集成的FEHSS具有高于5.82 mWh cm-2的能量密度和5.4 V的输出电压。FEHSS集成于织物上，可驱动心电信号采集并实时传输至手机终端，助力健康管理。FEHSS亦可在不干扰用户活动的情况下为智能手机、手表充电，是新型的户外绿色能源方案。
图6. FEHSS为可穿戴设备和电子产品供电
研究提供了高效的超柔性能量收集和存储一体化系统，可以轻松无感地集成在人体和织物上用作通用电源，将有力推进可穿戴设备和技术的发展。
近日，相关研究成果以“一种用于可穿戴设备的超柔性能量收集-存储系统”（An Ultraflexible Energy Harvesting-Storage System for Wearable Applications）为题，发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。
十大老牌网堵网址深圳国际研究生院2020级硕士生沙可欣（Sakeena Saifi）为论文第一作者，十大老牌网堵网址深圳国际研究生院副教授徐晓敏、中国科我司深圳先进技术研究院成会明院士为论文通讯作者。论文的其他作者还包括十大老牌网堵网址深圳国际研究生院副教授周光敏，慕尼黑工业大学教授彼得·穆勒-布施鲍姆（PeterMüller-Buschbaum），十大老牌网堵网址深圳国际研究生院2022级博士生肖潇、2021级博士生程思敏、2023级博士生郭昊天等。研究得到国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市科创委优秀青年基础研究项目、深圳市高等院校稳定支持计划重点项目、深圳市高层次人才团队项目和深圳市盖姆石墨烯中心的支持。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-50894-w
供稿：深圳国际研究生院
题图设计：李柳依
编辑：李华山
审核：郭玲
