近日，南方科技大學(xué)力學(xué)與航空航天工程系教授鄧巍巍課題組打印制備了可進(jìn)行光追蹤的剪紙結(jié)構(gòu)有機(jī)光伏電池，相關(guān)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(jī)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(shù)難以實(shí)現(xiàn)的新技術(shù)，拓展在柔性電子領(lǐng)域的應(yīng)用。在真實(shí)應(yīng)用場景中，一天內(nèi)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(zhuǎn)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(jī)械運(yùn)動機(jī)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，這其中蘊(yùn)含了數(shù)學(xué)思想和工程力學(xué)原理。鄧巍巍教授課題組設(shè)計(jì)了一種類似百葉窗的鉸鏈剪紙結(jié)構(gòu)，并首次應(yīng)用于有機(jī)光伏電池的光追蹤。剪紙結(jié)構(gòu)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(dān)不同角色（圖1b）。在拉伸桿受單軸拉伸力時(shí)微鉸鏈發(fā)生面外屈曲形變，帶動器件區(qū)轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)光伏電池的光追蹤（圖1c）。有機(jī)光伏電池結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)：（a）光追蹤提高光利用率的原理；（b）剪紙鉸鏈?zhǔn)疽鈭D；（c）剪紙OPV拉伸狀態(tài)；（d）柔性O(shè)PV器件結(jié)構(gòu)。

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(fèi)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(chǎn)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(shè)計(jì)靈活，可根據(jù)具體應(yīng)用場景選用不同的幾何參數(shù)和平面形狀，最大轉(zhuǎn)動角度與特征長度l/x相關(guān)（圖3a）。有限元計(jì)算展示了剪紙結(jié)構(gòu)在拉伸狀態(tài)下不同區(qū)域的應(yīng)力分布狀態(tài)：應(yīng)力只集中在微鉸鏈區(qū)，而器件區(qū)無應(yīng)力分布，這保證了器件所在區(qū)域的力學(xué)穩(wěn)定性（圖3b）。

圖3.剪紙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：（a）鉸鏈與器件區(qū)域的幾何結(jié)構(gòu)；（b）不同特征尺度鉸鏈在拉伸狀態(tài)下的應(yīng)力云圖。

通過拉伸轉(zhuǎn)動剪紙OPV器件對進(jìn)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(zhuǎn)向角增大，最大應(yīng)力減小，當(dāng)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(dá)到75°，考慮到建筑物和山體遮擋，這已經(jīng)滿足了絕大部分應(yīng)用場景的光追蹤需求。柔性剪紙OPV器件光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)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(jīng)過了20000次循環(huán)拉伸后，器件效率保持不變。該研究還設(shè)計(jì)制備了大面積剪紙OPV器件陣列，通過拉伸桿實(shí)現(xiàn)各個(gè)器件區(qū)域的連接（圖4c）。0.6 cm2柔性剪紙有機(jī)光伏電池陣列實(shí)現(xiàn)了超過10%的光電轉(zhuǎn)換效率。

圖4 （a）光追蹤與機(jī)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為有機(jī)光伏電池的應(yīng)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(dú)立設(shè)計(jì)，為可拉伸柔性電子設(shè)計(jì)提供了新的設(shè)計(jì)方案。剪紙結(jié)構(gòu)具有良好的可拉伸性，且不依賴功能材料的性質(zhì)，具有普適性，有望為OPV在柔性電子領(lǐng)域的應(yīng)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(xué)生常凱（南京郵電大學(xué)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(xué)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(xué)基金和深圳市軟材料力學(xué)與智造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202204004