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本文聚焦本征可拉伸全聚合物太阳能电池（IS-APSCs），阐述其在柔性、可穿戴电子领域的应用潜力。介绍了器件各层的制备要点、优化策略，分析面临的挑战，并展望未来发展，对推动该领域研究及商业化进程意义重大。
引言
随着柔性和可穿戴电子设备的发展，对可持续、可穿戴电源的需求日益增长。全聚合物太阳能电池（APSCs）因具有优异的拉伸性、稳定性等特点，在可穿戴电子领域极具潜力。本征可拉伸全聚合物太阳能电池（IS-APSCs）更是在诸多方面展现出独特优势，如轻质、大应变下的拉伸恢复性和抗机械疲劳性等，有望满足可穿戴设备长期在机械应变下稳定运行的需求。然而，目前其商业化仍面临诸多挑战，如活性层拉伸性与电性能的平衡、可扩展性等问题。
IS-APSCs 的制备考量
- 基底：IS-APSCs 主要由可拉伸基底、电极层、电荷传输层和活性层等组成。基底需具备高透光率、高拉伸性、低弹性模量等特性，其表面粗糙度和拉伸稳定性会影响电池性能，优化这些性质对提高电池效率和耐久性至关重要。
- 电极层：底部电极层应兼具优异的透明度、拉伸性和导电性，金属纳米线（NW）和碳基功能导电材料是常用的选择，可通过与基底复合来提高拉伸性。顶部电极常用导电复合材料或液态金属，但液态金属存在表面氧化等问题，需要寻找更合适的替代材料。
- 电荷传输层：空穴传输层（HTL）和电子传输层（ETL）在电荷传输和提取过程中起着关键作用，它们必须在应变下保持高载流子迁移率，同时与相邻层紧密结合以确保机械稳定性。聚合物基的 HTL/ETL 因具有高拉伸性等优势而被广泛应用，通过添加添加剂等方法可进一步提高其性能。
IS-APSCs 的优化策略
- 优化光伏聚合物的分子结构：活性层是决定 IS-APSCs 光伏性能和拉伸性的关键部分，但共轭聚合物的电学和机械性能之间存在固有权衡。通过引入柔性分子结构、调整区域规整度（RR）、改变侧链结构和增加分子量等方法，可以提高活性层的拉伸性。例如，引入柔性分子结构可促进共轭聚合物的动态非共价交联，在拉伸时实现能量耗散，同时保持高电荷传输能力。
- 优化活性层的混合组分：调整分子结构等方法会影响混合膜的电学和光伏性能，引入第三组分是同时提高拉伸性和光伏性能的关键策略。如引入具有良好机械性能的聚合物供体或高拉伸性的弹性体，可有效增强混合膜的拉伸性和稳定性。
- 优化活性层的形貌：混合膜的聚集和形貌对机械性能有显著影响，相分离和结晶会影响拉伸性。通过控制溶液状态下的聚集和薄膜形成过程、优化溶剂和制备工艺等方法，可以获得有利于电荷传输和机械稳定的形貌。同时，聚合物供体和受体的分子量也会影响活性层的拉伸性和整体性能，需要实现两者分子量的平衡。
未来面临的关键挑战
尽管 IS-APSCs 在活性层优化等方面取得了进展，但仍面临诸多挑战。可拉伸的 HTL/ETL 近年来未取得重大突破，限制了可拉伸器件的进一步发展；顶部电极常用的液态金属需要封装保护，且存在稳定性等问题，需寻找替代材料；目前 IS-APSCs 的研究主要局限于实验室小面积设备，制备大面积高光电转换效率（PCE）的器件面临挑战，需要优化大面积制备工艺。
未来展望
- 跨学科合作的需求：跨学科合作对 IS-APSCs 的发展至关重要。材料科学家可开发新型聚合物和混合材料，提高其导电性和弹性；器件工程师可设计可扩展的制备技术；聚合物物理学家可深入了解材料在拉伸条件下的行为；生物学家可助力设计与生物系统兼容的可拉伸器件，推动其在医疗保健等领域的应用。
- 与新兴技术的融合：IS-APSCs 未来的发展方向包括提高光伏性能和机械耐久性，以及与物联网（IoT）、可穿戴电子和智能织物等新兴技术融合。例如，可集成到可穿戴设备中为其提供持续电力，或编织到织物中制成自供电服装，减少对电池的依赖，为消费电子和可穿戴设备带来新功能。
- 商业和可扩展潜力：IS-APSCs 商业化的关键在于扩大生产规模、降低制造成本、克服监管和市场障碍。这需要材料科学家、工程师和商业专家共同合作，优化制造工艺，确保产品的成本效益和可扩展性。同时，制定标准化测试方法，确保不同研究对电池性能的评估一致，推动其在多个行业的广泛应用。
