南科大邓巍巍课题组在打印制备剪纸有机光伏电池领域取得新成果

半导体产业网消息：近日，南方科技大学力学与航空航天工程系教授邓巍巍课题组打印制备了可进行光追踪的剪纸结构有机光伏电池，相关研究成果以“Printed Kirigami Organic Photovoltaics for Efficient Solar Tracking”为题在Advanced Functional Materials上发表。

有机太阳能电池（Organic Photovoltaics, OPV）具有轻、薄、柔性的优势，可以开发出传统光伏技术难以实现的新技术，拓展在柔性电子领域的应用。在真实应用场景中，一天内和不同季节，日照角度会有所变化，在阳光非垂直入射的情况下，投影面积减小，会造成光伏电池表面辐射照度减小，从而造成光吸收能量的损失（图1a）。通过光线追踪，使光伏电池表面随着光源入射角度的变化而转动，可以保持光线正入射到光伏电池表面。然而传统光线追踪方法依靠机械运动机构，不适用于薄膜电池。剪纸可以把平面的纸变化为形态各异的立体结构，这其中蕴含了数学思想和工程力学原理。邓巍巍教授课题组设计了一种类似百叶窗的铰链剪纸结构，并首次应用于有机光伏电池的光追踪。剪纸结构由H-kirigami由铰链 (hinge)、拉伸杆 (beam) 和器件区 (device region)组成，三部分承担不同角色（图1b）。在拉伸杆受单轴拉伸力时微铰链发生面外屈曲形变，带动器件区转动，实现光伏电池的光追踪（图1c）。有机光伏电池结构为Polycarbonate/PH1000/PEDOT:PSS4083/D18:Y6/PNDIT-F3N/Ag（图1d）。

图1 柔性剪纸OPV器件光追踪原理与结构：（a）光追踪提高光利用率的原理；（b）剪纸铰链示意图；（c）剪纸OPV拉伸状态；（d）柔性OPV器件结构。

OPV器件在具有剪纸切口的柔性基底上成膜，考虑到基底的柔性、避免切割过程造成器件污染和材料浪费等因素，采用静电喷雾来制备OPV活性层薄膜（图2）。静电喷雾可以产生单分散、亚微米级、定向性好的液滴，适合非接触式打印纳米级厚度的薄膜。

图2 剪纸OPV制备流程图