超柔性自供电钙钛矿光电系统

研究背景

与皮肤紧密贴合的超柔性光电子技术非常适合用于健康监测和医疗等新应用，是下一代物联网(loT)的重要组成部分。皮肤光电子学的发展还能推动软机器人和高带宽人机界面等新技术的发展。这些设备需要超低的弯曲刚度，而这可以通过采用厚度低至约 1-5 um 的软聚合物基底来实现。特别是当设备的总厚度低于 5 um 时，低曲刚度使其皮肤粘附状态比独立状态更稳定，从而能够粘附到表皮等复杂表面，且不会产生任何不舒活的感觉。超柔性器械还因其较低的杨氏模量而具有良好的生物相容性。例如将超柔性放大器与生物相容性凝胶电极相结合,植入山羊的真皮下组织，即使植入4周后异物反应也很小。整合能量收集元件，如摩擦纳米发电机、热电发电机和光电元件，可为此类设备提供动力，而无需停机。

制造超柔性表皮光电子器件的一大挑战是所需的低加工温度受到底层聚合物基底热稳定性的限制。因此，有机半导体和聚合物半导体已被广泛应用于实现理想功能的器件中。这些器件具有出色的机械柔韧性，最小弯曲半径可达 10 微米或更小，成功实现了新的应用，如集成有机光伏(OPV)和有机电化学晶体管的自供电传感器或有机发光二极管(OLED)。

然而，皮肤光电子学中的有机器件有其固有的性能限制，并不总能满足特定系统的要求。例如虽然超柔性 OPV 可有效利用低强度环境光供电但据报道其最高功率转换效率(PCE)仅为 15.8%。因此，要达到理想的功率输出，需要相对较大的光伏布局面积。另一方面，超柔性有机发光二极管或聚合物发光二极管通常会产生宽带电致发光 (EL)，但由于超薄衬底的法布里-佩罗特(FP)干扰，EL不可避免地会出现光谱失真。这对于许多应用(如皮肤显示屏和光敏血压计 (PPG))来说是非常不可取的，因为它会产生与角度和弯曲有关的色度，并大大增加背景噪声。

研究成果

在超薄聚合物薄膜上制造的自供电皮肤光电元件正在成为下一代物联网(IT)技术中最有前途的元件之一。然而，由于聚合物基底的加工温度较低，器件性能不佳是一个长期存在的难题。此外，基于有机或聚合物半导体的宽带电致发光(EL)不可避免地受到基板弯曲时Fabry-Pérot (FP)干扰造成的周期性光谱畸变的影响，从而阻碍了其高级应用。在此，苏黎世联邦理工学院Chih-Jen Shih教授等人利用溶液加工的钙钛矿半导体，展示了集成高性能太阳能电池和单色发光二极管的超柔性表皮光电子技术。在具有高热稳定性的超薄聚合物衬底上展示了 n-i-p 钙钛矿太阳能电池和钙钛矿纳米晶体发光二极管(PNC-LED)，其功率转换效率和电流效率分别为 18.2%和 15.2 cdA-1，创下了超柔性钙钛矿太阳能电池的最高效率纪录。最大半峰宽为 23 nm的窄带 EL成功消除了 F 干扰，即使在 50% 的机械压缩条件下也能产生对弯曲不敏感的光谱。使用我们的皮肤光电设备进行的光搏动成像显示，在 87bpm 脉冲下，信号选择性高达 98.2%。本文介绍的结果为可穿戴显示屏和室内物联网传感器等自供电应用中的廉价高性能超薄光电子技术铺平了道路。相关研究以“Indoor Self-Powered Perovskite Optoelectronics with Ultraflexible Monochromatic Light Source”为题发表在Advanced Materials期刊上。

图文导读

Figure 1. Self-powered skin optoelectronics integrating high-efficiency solar cells and monochromatic LEDs using perovskite semiconductors.

Figure 2. Fabrication and characteristics of ultraflexible perovskite solar cells powering skin optoelectronics.

Fig. 3 Ultraflexible perovskite nanocrystal LEDs demonstrating bending insensitive monochromatic electroluminescence.

Fig. 4 Pulse-plethysmography (PPG) sensing using a monochromatic PNC-LED as light source.

Fig. 5 Demonstration of a self-powered ultraflexible skin optoelectronic system.

总结与展望

在本工作中，作者开发了利用溶液加工钙钛矿半导体制造超柔性自供电光电元件的材料和工艺。这里展示的超柔性钙钛矿太阳能电池和 PNC-LED 都达到了最先进的效率，其中太阳能电池的效率更是创下了新高。特别是成功消除了由超薄基底引起的 FP 干扰所导致的单色窄带EL 光谱失真，从而实现了对弯曲不敏感的光源。已经展示了使用我们的超柔性单色 LED进行高选择性 PPG 测量，以及在室内照明条件下为净零能耗物联网设备提供自供电超柔性光源。相信，本文介绍的工程策略和材料加工方法将极大地促进超薄聚合物薄膜皮肤光电技术的发展。

文献链接

Indoor Self-Powered Perovskite Optoelectronics with Ultraflexible Monochromatic Light Source

https://doi.org/10.1002/adma.202304604

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