在過去的幾十年中，得益于有機光伏材料和器件工程技術(shù)的不斷發(fā)展，基于溶液法制造的有機太陽能電池（OSC）在剛性和柔性基底上分別實現(xiàn)了超過18％和16％的光電轉(zhuǎn)換效率。盡管圍繞OSC的大部分研究都集中在如何提升效率和降低成本上，OSC在許多關(guān)鍵應用中的潛力也不可忽視，特別是在生物醫(yī)學領(lǐng)域。有鑒于此，美國休斯頓大學余存江教授等人總結(jié)概述了高性能有機光伏材料和柔性O(shè)SC的最新研究成果，并為OSC的快速發(fā)展提供指導。隨后，作者系統(tǒng)闡述了OSC在生物醫(yī)學設(shè)備和集成系統(tǒng)中的應用取得的進展和潛在挑戰(zhàn)。最后，提出了OSC的應用挑戰(zhàn)，為具有OSC和生物電子學的集成設(shè)備指明了未來發(fā)展方向。作者首先概述了高性能有機光伏材料的最新進展。在幾十納米尺度上的具有互穿D/A網(wǎng)絡(luò)的吸光活性層的形貌，對于實現(xiàn)高效率是至關(guān)重要的。在所述的D/A共混物中添加第三種或第四種成分，可以有效地調(diào)節(jié)活性層形貌并調(diào)節(jié)其能級分布，從而改善整體性能?；贗TO的剛性基底上，這些有機光伏材料有助于推動高性能柔性器件的開發(fā)應用。進一步發(fā)展具有優(yōu)異的電荷傳輸能力和穩(wěn)定性的窄帶隙材料，仍然值得重點關(guān)注。圖1. 典型的聚合物給體材料和小分子受體、給體材料的化學結(jié)構(gòu)
圖2. 典型的聚合物給體、受體材料和小分子給體材料的化學結(jié)構(gòu)隨后，作者總結(jié)了基于ITO、Ag NW(銀納米線)和PEDOT:PSS的高效、柔性、超薄器件。目前，在具有不同器件結(jié)構(gòu)（例如，正向和翻轉(zhuǎn)器件，單結(jié)和串聯(lián)多結(jié)器件）和各種有機光伏材料（例如，富勒烯和非富勒烯材料、二元和三元混合物）的柔性O(shè)SC中，已證明了OSC具有出色的效率和機械柔韌性。這些結(jié)果凸顯了OSC在生物電子應用中的巨大潛力。但是，電池的長期穩(wěn)定性仍然是OSC面臨的巨大挑戰(zhàn)，這在未來的柔性電池開發(fā)中應予以考慮。圖4. 基于AgNW傳輸電極的柔性O(shè)SC圖5. 基于PEDOT: PSS傳輸電極的柔性O(shè)SC圖6. 基于PEDOT:PSS或AgNWs傳輸電極的超薄柔性O(shè)SC
研究人員系統(tǒng)討論了OSC在植入式生物醫(yī)學設(shè)備和傳感器中的幾種應用。OSC器件作為一種發(fā)電設(shè)備，已與自供電生物電子設(shè)備中的其他組件組合在一起。然而，盡管已經(jīng)實現(xiàn)了高效率和柔性，但在生物醫(yī)學領(lǐng)域中對OSC的探索或?qū)嵤┌咐齾s相對較少。設(shè)計和制造由高效、柔性的OSC驅(qū)動的生物電子產(chǎn)品將是未來發(fā)展必經(jīng)之路。圖7. OSC/OBEI集成系統(tǒng)對PC12細胞發(fā)揮ES效應的示意圖圖8. 用于生物電子學的OSC/OECT集成系統(tǒng)的示意圖圖9.用于生物電子學的OSC/PTME集成系統(tǒng)的示意圖在此綜述中，研究人員首先討論了高性能有機光伏材料、柔性O(shè)SC以及OSC在生物醫(yī)學設(shè)備中的應用的發(fā)展趨勢。OSC的這些優(yōu)點為其集成在自供電生物電子生物組織的上下表面鋪平了道路?，F(xiàn)有研究展示了其在生物醫(yī)學設(shè)備中的巨大應用潛力。為了進一步滿足新興生物醫(yī)學設(shè)備的需求，需要不斷改進OSC的整體效率和長期穩(wěn)定性。在提高器件性能的同時，應當維持對人體皮膚和組織的輕劑量低于組織光學安全性閾值。開發(fā)可以吸收近紅外光（NIR）有機光伏材料并用于柔性的OSC在用于生物醫(yī)學應用中具有重要的意義。除了長期穩(wěn)定性之外，柔性OSC必須順應目標表面以避免對人體皮膚或組織的機械損傷。此外，柔性O(shè)SC的生物相容性、溶解性或可回收性的研究對長期生物醫(yī)學設(shè)備也是至關(guān)重要的。除發(fā)電OSC單元外，還需要在OSC上集成多種生物醫(yī)學功能，如不同類型的物理和生化傳感器，藥物輸送等，非遺傳的光學刺激也可能會照亮其未來在新型生物電子學方面的應用。研究人員預見在不久的將來，OSC在創(chuàng)建新型生物醫(yī)學設(shè)備方面的利用率將會持續(xù)提高。Kan, B., Ershad, F., Rao, Z. et al. Flexible organic solar cells for biomedical devices. Nano Res. (2021).https://doi.org/10.1007/s12274-021-3386-zhttps://link.springer.com/article/10.1007/s12274-021-3386-z
