面向光电转换的高分子基柔性光电功能纤维

Recently, flexible/wearable electronics have been drawing more and more attention for their advantages in combined electronics and fabrics. Weaving using flexible optoelectronic functional fibers as building blocks is one of the potential methods to achieve real “e-fibers”. Based on the work of existing fiber electronics and problems in fibrous electrodes, the project would be aimed to study the properties of polymer materials, the design and preparation of polymer-based electrodes, as well as the device performance of fiber optoelectronic devices, and exploring the ways and scientific method to construct low-cost, high efficiency, good stability of fiber optoelectronics on polymeric fibers. The surface/ interfacial properties of optoelectronic fibers are systematical researched, and effective methods to enable optoelectronic feature to polymer fibers would be established. Besides, the unique operation mechanisms of optoelectronic fibers would be studied by establishing device physical models. With combination of basic scientific theory and actual preparation technology, the project attempts to solve the problems of applying polymer fiber into fiber electronics, which paves the way for further development and low-cost applications.

由于同时具有多功能性和柔性可编织的优势，可穿戴电子器件近年来受到了广泛关注。通过编织柔性光电功能纤维的方法可以实现真正意义上的“电子编织物”。本项目在现有纤维光电器件的工作基础上，针对目前光电功能纤维存在的问题，以光电功能高分子及其纤维材料为项目的研究载体，从材料体系、电极设计和制备、器件性能和机理三个层面着手，尝试在高分子基纤维上构筑低成本、高性能、稳定性好的光电功能纤维。探索高分子光电功能纤维表面/界面结构和微纳结构的调控方法和表征技术，建立高分子纤维可控的光电功能化方法。同时，通过器件物理模型的建立，研究光电功能纤维非平面结构造成的非均匀光场和电场及其新型光-电转换工作机制。本项目将基本的科学问题与实际的制备技术相结合，致力于解决高分子纤维材料应用于纤维光电器件所面临的基本问题，为柔性光电功能纤维的进一步发展与实现低成本应用奠定基础。

近年来，柔性可穿戴电子设备受到广泛的关注，开发与之相匹配的能源转换与存储器件非常必要。其中快速发展的光电功能纤维，通过编织可以实现真正意义上的“电子编织物”。本项目在现有纤维光电器件的工作基础上，针对目前光电功能纤维存在的问题，以光电功能高分子及其纤维材料为项目的研究载体，从材料体系、电极设计和制备、器件性能和机理三个层面着手，尝试在高分子基纤维上构筑低成本、高性能、稳定性好的光电功能纤维。主要的研究内容可分成两大部分：高分子基光电功能纤维的设计、组装，制备技术和工艺，纤维电子器件工作机制研究；以及在此基础上进行的高分子基光电功能纤维的微/纳结构设计，界面科学问题的研究。我们选用聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、聚酯纤维等作为电极基底，结合新型的墨水碳、石墨烯等纳米碳活性材料，实现了光电转换效率超过5%的纤维染料敏化太阳能电池。同时，我们还系统研究了PAN基碳纤维的光电功能化，在碳纤维表面实现了多种光电功能金属氧化物半导体纳米材料的可控制备，其中基于TiO2纳米线阵列/碳纤维电极的纤维DSSC标准效率达到2.48%，远高于已报道的碳纤维基DSSCs的效率。系统地研究并制备了以聚丙烯腈基碳纤维作为阴极, 金属锌作为阳极的柔性纤维型可充电储能电池，以及全聚丙烯腈基碳纤维基的柔性纤维型可充电电池，与纤维型染料敏化太阳能结合,系统能量转化效率可以达到3.42%，有良好的应用前景。针对高性能可拉伸PEDOT超级电容器开发了新型的原位气相沉积聚合方法，构建出可拉伸、性能稳定的超级电容器，可直接在不同织物基底上构筑可穿戴电极，在可穿戴器件方面尤其具有优势。此外，将近年成为研究热点的钙钛矿材料引入高分子基全固态高分子太阳能电池体系，在使用钛丝作为基底时获得了效率达到7.5 %的全固态纤维型钙钛矿太阳能电池，为后续在高分子基底上全固态纤维太阳能电池的制备奠定了基础。总体而言，按照项目计划任务，很好地完成了各项指标要求，达到了项目的预期成果。