太阳能电池可以“穿戴”在身上的新工艺

由日本理化学研究所(RIKEN)研究人员领导的研究团队（PNAS，"Thermallystable,highlyefficient,ultraflexibleorganicphotovoltaics"）最近开发了一种柔性聚合物基太阳能电池，这种电池可在高达120摄氏度的温度下加热而不会降低功率转换效率。并且，电池材料的灵活性和热稳健性将使其对可穿戴传感器和设备的供电具有很强的吸引力。

有机太阳能电池利用导电的碳基聚合物来代替刚性硅捕获阳光，并将光能转化为电能。因此，它们可以附着在诸如衣服之类的柔性材料上而不会发生断裂。

此前，日本理化学研究所应急物质科学中心的KenjiroFukuda和他的团队通过改善材料与纺织品的相容性，使其更耐韧耐水，从而进一步将有机太阳能电池封装在聚合物中。

然而，他们设计的柔性太阳能电池对温度变化的敏感性较差，热应力会使聚合物变脆或者导致它们体积膨胀进而导电性变差，这些问题限制了电池的使用寿命。

Fukuda与研究团队负责人TakaoSomeya及其来自日本和美国的同事一起解决了这个问题，并且他们通过修改器件的活性层（一种由氟原子和含硫物质组成的复合光吸收聚合物层）来制造具有可以增强有机太阳能电池热稳定性的芳香环。同时，向该分子添加直链烃链触发了芳香环以“面对面”的方向堆叠，从而提高了聚合物的结晶强度。

该团队用透明的聚酰亚胺替代了用于支撑活性层的传统塑料基板，该聚酰亚胺在很宽的温度范围内具有较好的机械稳定性。为了在支撑板上形成聚酰亚胺膜，他们使用湿学工艺而不是真空沉积来制备材料，因为湿法工艺更适合于制造大面积膜材料。

但是湿法工艺生产过程需要仔细控制基材的表面能量：如果基材太疏水，聚酰亚胺前体溶液会卷起而不形成膜，而如果它太亲水，则聚酰亚胺膜将过度粘着，使其很难从表面剥离。研究人员通过调整疏水层的厚度并利用氧等离子体处理来获得合适的表面能。

在最后的封装步骤之后，他们测试了太阳能电池在不同温度下反复滚动、折叠和折皱时的行为表现。尽管存在着机械和热应力，但电池的功率转换效率仍保持接近创纪录的水平。这激发了该集团使用为服装行业开发的“热熔”技术将这些设备连接到织物上的想法。

Fukuda说：“热熔工艺使我们的超薄有机太阳能电池几乎完美地粘合到纺织品上，而且性能没有下降。我们现在正在与合作者讨论这些结果，以期找到一个合适的商业化方案。”