柔性光伏织物的空间结构设计与电子输运速率的关系研究

Flexible photovoltaic fabrics, which possess the excellent characteristics including lightweight, soft, deformability and integration, were used in wearable smart textiles, biosensors, electronic devices and so on, resulting in the widely concentrations from the researchers. In the improvement of photoelectric conversion efficiency of fabrics, transfer rate of electrons is non-ignorable focus and design of addressing spatial structure is the key for optimization of electrons transfer rate. In our work, combination law of contact and volume resistance in equivalent circuit model was regulated for the relationship construction of change of walking path of electrons (pattern I, pattern Y, pattern X and so on) and their transfer rate, and universal yarn was utilized to investigate the validity of spatial structure, sensing behavior of electrodynamic and transfer mechanism of electrons of photovoltaic fabrics. The relationship of overlap law of conductive yarns and transfer rate of electrons will be explored and the boundary conditions of electronic stability of fabrics in the large/little deformation will be found, and besides, the regulation of transfer mechanism of electrons will be comprehended. The results can provide a theory basis for the design and preparation of flexible photoelectric devices.

柔性光伏织物拥有质轻、柔软、良好的变形能力及可集成等突出特点，被广泛应用在可穿戴智能纺织品、生物传感器、电子器件等领域，受到了人们的广泛关注。在提升光伏织物的光电转化效率过程中，电子输运速率是不可忽略的一个研究焦点，空间寻址结构设计是优化电子输运速率的关键。本项目拟通过调控等效电路模型中接触电阻与体积电阻的组合规律，建立 I型、Y型、X型等电子行走路径的变化与其输运速率间的关系，并利用通用纱体探讨设计织物的空间结构有效性、电-力学传感行为及电子输运机理。总体阐明织物中导电纱体的搭接规律与电子输运速率的关系，寻找大形变/小形变过程中影响织物电学稳定性的边界条件，深刻理解电子传输速率的可调控规律。此项目结论可为柔性光电器件的设计与制备提供理论依据。

本项目针对导电织物的众多研究中缺少导电通路的设计与控制，使得导电器件灵敏度不可控，且电子输运机理尚不明确，及形变过程中导电织物电学稳定性差等关键科学问题，通过合理设计柔性导电纤维-导电纱线-导电织物的空间结构，确立提高电子输运速率的有效搭接条件，提出并建立了边界控制电学性能参数与应变之间的函数关联、等效电阻-应变的理论模型，可实现调控外力作用下导电织物中电子输运方向及速率的最终目标。本课题提出可寻址电路模型，在导电织物等效电阻模型中简单，易于掌握，将对电子行走机理研究产生深远影响，为柔性可穿戴导电器件的研究提供新的思路。具体执行情况如下： 1）合理设计了外场诱导下石墨烯的微观结构从网格状向I字状互相转变的调控方法，重点研究了导电织物中的最小导电体-石墨烯纤维的微观空间结构设计和电学之间的关系。此研究为微纳米尺度结构中电子走向调控机理研究提供理论基础。2）在研究了导电纤维的基础上，继续研究了纤维集合体-纱线的组合设计和电学性能间的构效关系。研究了不同涂覆次数以及不同加捻情况下的导电性能，为设计、开发具有新功能的长丝、纱线及织物等集合体提供一定的理论指导。3）继续研究了纱线集合体-织物的结构设计及电力学性能，设计并织制纱线交错次数呈梯度性的织物组织，从结果可知，纱线交错次数与表面比电阻呈正比。4）利用机织物中导电纱的方向性传导设计来改良导电织物对外界的响应速度。其设计“X” “T”和“H”型不同方向性的电子走向表现出不同的电阻变化。而复合 “XT”型表现出了两种组合图形的中间值。5）针织物也是一种良好的柔性导电织物。根据对串套线圈模型的研究，得出穿套线圈个数、角度与导电织物的灵敏度呈反比。根据人体模拟实验导电织物呈现的电力学曲线与穿套线圈等效电阻模型-串珠模型计算结果一致，此结论为导电织物作为“柔性传感器”在监测传感领域的应用研究打下来坚实的基础。