可贴在衣物上的超薄型有机太阳能电池作为一种日常可穿戴式装置而备受期待，然而其防水性差的特性却成为了一大课题。理化学研究所（简称“理研”）创发物性科学研究中心创发软件系统研究团队的福田宪二郎专任研究员、Xiong Sixing特别研究员、染谷隆夫团队负责人等人组成的国际联合研究团队，通过偶然的发现，成功开发了一种能改善超薄型有机太阳能电池防水性，并使其在水中也能运作的装置。福田专任研究员表示：“我们将实验中失败的装置和其他东西一同放置在热板上一整天，结果发现前者的防水性能得到了提高。如果当时认为没用而将其丢弃，就不会有这次的发现了。”相关研究成果已发表在《Nature Communications》上。
理研创发物性科学研究中心创发软件系统研究团队的专任研究员福田宪二郎（左）、特别研究员Xiong Sixing（右）
利用开发的超薄型有机太阳能电池在水中发电的情景
在衣物上发电的可穿戴式装置，通过与传感器结合，可以持续监测血压、体温等生物信息，从而有助于预防各种疾病。其电力供应的有力候选，正是能够提供毫瓦级的高电力，柔韧性强的有机太阳能电池。
要将有机太阳能电池用于可穿戴式装置，防水性是必不可少的，因为日常生活中难以完全避免雨天外出、结露、洗手、洗衣等衣物或皮肤附着水分的情况。
迄今为止，研究团队为提高超薄型有机太阳能电池的防水性，一直在研发利用密封膜的有机太阳能电池的新结构。然而，目前尚未开发出既能保持超薄型有机太阳能电池柔韧性又能完全防水的密封膜技术，因而有必要从根本上改进有机太阳能电池的结构。
有机太阳能电池在阳极和发电层之间，设置了旨在高效地将空穴从发电层输送到阳极的空穴传输层，然而这种空穴传输层不耐水，使其成为了破坏电池防水性的主要原因。
为了提高空穴传输层的耐热性，研究团队制作了各种各样的元件并进行了实验。在这个过程中，出现了发电效率低的失败品和发电效率高的成功品，研究人员将它们集中放置在热板上，以85℃加热了24小时。结果发现，失败品的发电效率大幅提高。“起初我们以为是拿错了样品，但当我们重复这个过程后得到了相同结果，我们觉得这很有趣，于是进行了各种试验，结果发现其防水性明显提高了”（福田）。
将作为阳极的银直接堆叠在发电层上，发电层和阳极之间不包含空穴输送层的有机太阳能电池，由于发电层中的空穴不能被有效地提取到阳极，导致发电效率显著降低。将这种有机太阳能电池在大气中以85℃加热24小时后，阳极和发电层之间界面的银发生氧化。阳极和发电层之间的氧化银充当了空穴输送层的角色，高效地提取了空穴，从而大幅提高了有机太阳能电池的能量转换效率。
当对所制作的超薄有机太阳能电池照射模拟太阳光（输出功率100毫瓦/平方厘米）时，发现短路电流密度（JSC）从15.8毫安/平方厘米提高到26.5毫安/平方厘米，开路电压（VOC）从0.05伏提高到0.77伏，填充因子从27％提高到71％，能量转换效率从0.2％提高到14.3％。这种改善是由于构成阳极的银氧化之后，与普通的银相比功函数增加而产生的。
此外，研究人员对具有典型空穴传输层——氧化钼和银的有机太阳能电池以及此次开发的有机太阳能电池进行了阳极与发电层的拉伸剥离试验，结果显示，氧化钼有机太阳能电池中氧化钼/发电层界面的粘接强度为0.7兆帕帕斯卡，而制作的氧化银有机太阳能电池中氧化银/发电层界面的粘接强度为1.5兆帕帕斯卡，比前者增强了一倍以上。另外，由于氧化钼有机太阳能电池的粘接强度较弱，若浸泡在水中，氧化钼与发电层易剥离。相反地，制作的氧化银有机太阳能电池即使浸泡在水中，也完全未观察到氧化银与发电层剥离的情况。
此外，制作的厚度为3微米的超薄型有机太阳能电池，在水中浸泡4小时后，能量转换效率的保持率仍为89%，在水中施加300次重复30%压缩应变和复原的机械变形后，能量转换效率的保持率仍为96%。此外，该电池还实现了水下连续运作60分钟以上。
本次防水性能的提升，是有机薄膜太阳能电池向可穿戴式元件的发展迈出的重要一步。同时，使空穴传输层的银发生氧化的想法颠覆了以往的常识，可谓是拓展了新的研究可能性。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Nature Communications
论文：Waterproof and ultraflexible organic photovoltaics with improved interface adhesion
DOI：10.1038/s41467-024-44878-z
