編譯：賀欣（

中國醫學科學院放射醫學研究所）

近日，Nature報道了一種新型柔性自供電電子設備[1]，可以作為測量人類心率或血壓的有力工具。這些裝置具有輕便，易與皮膚貼合，能耐受機械變性的特性。超柔性電源和感測器的集成具有成為革命性工具的潛力，用於自供電的可穿戴電子設備和診斷工具。

科學家[2]通過將太陽能電池（OPV）與有機電化學晶體管（OECTs）的電子器件在聚對二甲苯的塑料製成的超薄基板上相結合來實現這一壯舉。OPV電池可以將接收到的光能量的10.5%轉化為電能，這是目前功率轉換效率最高的超柔元件。柔性OPV電池通常比它們的剛性同行低效率，後者已有更為成熟的製造工藝。Park等人通過將氧化鋅結構引入OPV電池來克服這種局限性。這些結構由納米尺度的圖案組成，這些圖案促進OPV細胞中的電子傳輸，將能量轉換效率最大化。

OPV電池相對於剛性太陽能電池的另一個關鍵優點是功率轉換效率對電池被光照的角度不敏感。在傳統的太陽能電池中，以較大角度入射到電池表面的光會經歷較多的反射，從而導致較低的效率。但是在作者的裝置中，納米顆粒可以最小化入射光的反射，而不考慮照明角度。其結果是，這些器件的效率不受運動的影響，這是可穿戴生物感測器的理想特性。使用柔性OPV電池為柔性感測器供電要求在前者能夠在機械變形下具有穩定的電氣性能。傳統的柔性OPV電池不滿足這個要求，因為它們由厚而堅硬的材料組成，這使得設備易碎。Park等人利用了其納米圖案化的OPV電池的超薄特性，並將該裝置層壓在預拉伸彈性體（橡膠類似物）上，最終得到的器件不僅可以放置在曲面上，而且可以拉伸到初始長度的兩倍（機械應變為200%），並且仍然保持高功率轉換效率。即使經歷900個拉伸和釋放周期，效率僅下降到其初始值的約75%。

OECT能夠使用低電壓（大約1伏特）工作，這恰好也在OPV電池的供電容量之內。使用納米顆粒的OPV電池來驅動OECT，組成為敏感和靈活的生物感測器。科學家證明了自供電OPV-OECT感測平台可以檢測生物信號（如圖）。他們把平台連接到一個人的手指和一個凝膠電極到人的胸部。由於離子在人體內的運動，每次心跳都會在電極和平台之間產生電壓差。這種差異通常太小而不能檢測到，但是由於OECT可以實現高信號放大，所以在這裡是可以測量的。在發光二極體的恆定照明下，平台記錄了清晰的心率信號。記錄靈敏度約為常規電源供電的OECT的三倍。這是因為沒有外部電源連接減少了信號波動。作者通過將感測平台連接到大鼠心臟暴露表面來驗證他們在體內的方法的可靠性。他們成功地測量了動物的心率，證明了監測生物信號的平台的有效性。

在OPV系統可以完全集成到可穿戴設備之前，還需要進行幾種優化。來自平台的電子信號的傳輸仍然基於由外部源供電的傳統剛性硅基電子器件。此外，OPV單元僅產生低輸出功率，因此驅動複雜或具有高功耗的感測系統將是具有挑戰性的。OPV系統在生產用於自供電應用的超薄和高效太陽能電池方面是一個里程碑。此外，該裝置為開發可伸縮的、可拉伸的、甚至健康的自供電生物感測器鋪平了道路，用於生物信號的精確、靈敏和連續測量。

參考文獻

[1] S. Zhang, F. Cicoira, Flexible self-powered biosensors, Nature. 561 (2018) 466. doi:10.1038/d41586-018-06788-1.

[2] S. Park, S.W. Heo, W. Lee, D. Inoue, Z. Jiang, K. Yu, H. Jinno, D. Hashizume, M. Sekino, T. Yokota, K. Fukuda, K. Tajima, T. Someya, Self-powered ultra-flexible electronics via nano-grating-patterned organic photovoltaics, Nature. 561 (2018) 516–521. doi:10.1038/s41586-018-0536-x.

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