可貼在衣物上的超薄型有機太陽能電池作爲一種日常可穿戴式裝置而備受期待，然而其防水性差的特性卻成爲了一大課題。理化學研究所（簡稱「理研」）創發物性科學研究中心創發軟體系統研究團隊的福田憲二郎專任研究員、Xiong Sixing特別研究員、染谷隆夫團隊負責人等人組成的國際聯合研究團隊，透過偶然的發現，成功開發了一種能改善超薄型有機太陽能電池防水性，並使其在水中也能運作的裝置。福田專任研究員表示：「我們將實驗中失敗的裝置和其他東西一同放置在熱板上一整天，結果發現前者的防水性能得到了提高。如果當時認爲沒用而將其丟棄，就不會有這次的發現了。」相關研究成果已發表在《Nature Communications》上。
理研創發物性科學研究中心創發軟體系統研究團隊的專任研究員福田憲二郎（左）、特別研究員Xiong Sixing（右）
利用開發的超薄型有機太陽能電池在水中發電的情景
在衣物上發電的可穿戴式裝置，透過與感測器結合，可以持續監測血壓、體溫等生物資訊，從而有助於預防各種疾病。其電力供應的有力候選，正是能夠提供毫瓦級的高電力，柔韌性強的有機太陽能電池。
要將有機太陽能電池用於可穿戴式裝置，防水性是必不可少的，因爲日常生活中難以完全避免雨天外出、結露、洗手、洗衣等衣物或皮膚附着水分的情況。
迄今爲止，研究團隊爲提高超薄型有機太陽能電池的防水性，一直在研發利用密封膜的有機太陽能電池的新結構。然而，目前尚未開發出既能保持超薄型有機太陽能電池柔韌性又能完全防水的密封膜技術，因而有必要從根本上改進有機太陽能電池的結構。
有機太陽能電池在陽極和發電層之間，設置了旨在高效地將電洞從發電層運送到陽極的電洞傳輸層，然而這種電洞傳輸層不耐水，使其成爲了破壞電池防水性的主要原因。
爲了提高電洞傳輸層的耐熱性，研究團隊製作了各種各樣的元件並進行了實驗。在這個程序中，出現了發電效率低的失敗品和發電效率高的成功品，研究人員將它們集中放置在熱板上，以85℃加熱了24小時。結果發現，失敗品的發電效率大幅提高。「起初我們以爲是拿錯了樣品，但當我們重複這個程序後得到了相同結果，我們覺得這很有趣，於是進行了各種試驗，結果發現其防水性明顯提高了」（福田）。
將作爲陽極的銀直接堆疊在發電層上，發電層和陽極之間不包含電洞運送層的有機太陽能電池，由於發電層中的電洞不能被有效地提取到陽極，導致發電效率顯著降低。將這種有機太陽能電池在大氣中以85℃加熱24小時後，陽極和發電層之間界面的銀髮生氧化。陽極和發電層之間的氧化銀充當了電洞運送層的角色，高效地提取了電洞，從而大幅提高了有機太陽能電池的能量轉換效率。
當對所製作的超薄有機太陽能電池照射類比太陽光（輸出功率100毫瓦/平方釐米）時，發現短路電流密度（JSC）從15.8毫安/平方釐米提高到26.5毫安/平方釐米，開路電壓（VOC）從0.05伏提高到0.77伏，填充因子從27％提高到71％，能量轉換效率從0.2％提高到14.3％。這種改善是由於構成陽極的銀氧化之後，與普通的銀相比功函數增加而產生的。
此外，研究人員對具有典型電洞傳輸層——氧化鉬和銀的有機太陽能電池以及此次開發的有機太陽能電池進行了陽極與發電層的拉伸剝離試驗，結果顯示，氧化鉬有機太陽能電池中氧化鉬/發電層界面的粘接強度爲0.7兆帕巴斯卡，而製作的氧化銀有機太陽能電池中氧化銀/發電層界面的粘接強度爲1.5兆帕巴斯卡，比前者強化了一倍以上。另外，由於氧化鉬有機太陽能電池的粘接強度較弱，若浸漬在水中，氧化鉬與發電層易剝離。相反地，製作的氧化銀有機太陽能電池即使浸漬在水中，也完全未觀察到氧化銀與發電層剝離的情況。
此外，製作的厚度爲3微米的超薄型有機太陽能電池，在水中浸漬4小時後，能量轉換效率的保持率仍爲89%，在水中施加300次重複30%壓縮應變和復原的機械形變後，能量轉換效率的保持率仍爲96%。此外，該電池還實施了水下連續運作60分鐘以上。
本次防水性能的提升，是有機薄膜太陽能電池向可穿戴式元件的隊形變換邁出的重要一步。同時，使電洞傳輸層的銀髮生氧化的想法顛覆了以往的常識，可謂是拓展了新的研究可能性。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Nature Communications
論文：Waterproof and ultraflexible organic photovoltaics with improved interface adhesion
DOI：10.1038/s41467-024-44878-z
