本文转载自材料人
下一代生物医学器件将需要能够实现自我供电，并适合在人类皮肤或其他组织中应用的功能。这种器件将能够精确和连续地检测生理信号，而不需要外部电源或复杂的连接线。其中自供电功能可以由柔性光伏提供，它可以附着在可移动和复杂的三维生物组织和皮肤上。包裹在物体周围的超柔性有机电源在长期测试中已经证明了其良好的机械性和热稳定性，这使得它们在与人类组织或皮肤兼容的电子产品中有潜在的用途。然而，由于这些电源在机械变形和角度变化下输出功率不稳定，同时与包括传感器在内的功能性电子器件的集成尚未得到验证。此外，在制造集成电源和传感器时，这些工艺会损坏功能器件当中的活性材料并使几微米厚的聚合物衬底变形，因此有必要将高温和能量密集型工艺最小化。
日本应急物质科学中心(CEMS)的Kenjiro Fukuda，Keisuke Tajima教授以及东京大学的Takao Someya教授（共同通讯）联合在Nature上发表文章，题为：Self-powered ultra-flexible electronics via nano-grating-patterned organic photovoltaics。在这里，作者实现了自供电超柔性电子器件的制备。当应用于皮肤或其他组织时，该器件能够以非常高的信噪比测量生物信号。作者将用作传感器的有机电化学晶体管与有机光伏电源集成在一微米厚的超柔性衬底上。使用高通量室温模塑工艺在电荷传输层上形成纳米光栅形态(周期为760nm)。这大大提高了有机光电转换器的效率，提供了高达10.5 %的高转换效率，并实现了每克11.46瓦的高功率重量值。有机电化学晶体管在生理条件下表现出0.8毫西门子的跨导和超过1千赫兹的快速响应，这导致心脏信号检测的最大信噪比为40.02分贝。作者的发现为下一代自供电电子产品提供了一个通用平台。
图1 :双光栅图案化高性能超柔性OPV的设计
图2 :双光栅图案超柔性OPV的机械耐久性
图3 :超柔性自供电集成器件的设计
图4 :由自供电超柔性传感器记录的心脏信号
该文的传感器系统包括两个组件:一个由柔性有机电子器件组成的模拟组件，用于检测生物特征信号；一个由硅制成的数字组件，用于数据传输。在这项工作中，作者特别关注模拟组件，它显示出非常稳定的信号，并由超柔性有机光伏电池供电。因此，自供电模拟和数字组件的组合提供了一种实现独立、完全自供电、可佩戴传感器系统的方法。该工作可以从以前报道的超柔性OPVs的发展里程碑的背景来看:在这里，1D双光栅图案的高功率单位重量OPVs已经与功能性电子器件相结合来制备自供电共形传感器，并且解决了刚性OPVs和柔性OPVs之间的PCE差异。作者的方法为超柔性有机电源与功能性电子设备的集成开辟了道路，无需外部电源连接即可精确、灵敏、连续地采集生物信号。
Self-powered ultra-flexible electronics via nano-grating-patterned organic photovoltaics, (Nature, 2018, DOI: 10.1038/ s41586-018-0536-x)
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编辑：冯元会
审核：颜学俊
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