可穿戴电子设备的新型自供电柔性电池

近日，Nature报道了一种新型柔性自供电电子设备，可以作为测量人类心率或血压的有力工具。这些装置具有轻便，易与皮肤贴合，能耐受机械变性的特性。超柔性电源和传感器的集成具有成为革命性工具的潜力，用于自供电的可穿戴电子设备和诊断工具。

科学家通过将太阳能电池（OPV）与有机电化学晶体管（OECTs）的电子器件在聚对二甲苯的塑料制成的超薄基板上相结合来实现这一壮举。OPV电池可以将接收到的光能量的10.5%转化为电能，这是目前功率转换效率最高的超柔元件。柔性OPV电池通常比它们的刚性同行低效率，后者已有更为成熟的制造工艺。Park等人通过将氧化锌结构引入OPV电池来克服这种局限性。这些结构由纳米尺度的图案组成，这些图案促进OPV细胞中的电子传输，将能量转换效率最大化。

OPV电池相对于刚性太阳能电池的另一个关键优点是功率转换效率对电池被光照的角度不敏感。在传统的太阳能电池中，以较大角度入射到电池表面的光会经历较多的反射，从而导致较低的效率。但是在作者的装置中，纳米颗粒可以最小化入射光的反射，而不考虑照明角度。其结果是，这些器件的效率不受运动的影响，这是可穿戴生物传感器的理想特性。使用柔性OPV电池为柔性传感器供电要求在前者能够在机械变形下具有稳定的电气性能。传统的柔性OPV电池不满足这个要求，因为它们由厚而坚硬的材料组成，这使得设备易碎。Park等人利用了其纳米图案化的OPV电池的超薄特性，并将该装置层压在预拉伸弹性体（橡胶类似物）上，最终得到的器件不仅可以放置在曲面上，而且可以拉伸到初始长度的两倍（机械应变为200%），并且仍然保持高功率转换效率。即使经历900个拉伸和释放周期，效率仅下降到其初始值的约75%。

OECT能够使用低电压（大约1伏特）工作，这恰好也在OPV电池的供电容量之内。使用纳米颗粒的OPV电池来驱动OECT，组成为敏感和灵活的生物传感器。科学家证明了自供电OPV-OECT传感平台可以检测生物信号（如图）。他们把平台连接到一个人的手指和一个凝胶电极到人的胸部。由于离子在人体内的运动，每次心跳都会在电极和平台之间产生电压差。这种差异通常太小而不能检测到，但是由于OECT可以实现高信号放大，所以在这里是可以测量的。在发光二极管的恒定照明下，平台记录了清晰的心率信号。记录灵敏度约为常规电源供电的OECT的三倍。这是因为没有外部电源连接减少了信号波动。作者通过将传感平台连接到大鼠心脏暴露表面来验证他们在体内的方法的可靠性。他们成功地测量了动物的心率，证明了监测生物信号的平台的有效性。

在OPV系统可以完全集成到可穿戴设备之前，还需要进行几种优化。来自平台的电子信号的传输仍然基于由外部源供电的传统刚性硅基电子器件。此外，OPV单元仅产生低输出功率，因此驱动复杂或具有高功耗的感测系统将是具有挑战性的。OPV系统在生产用于自供电应用的超薄和高效太阳能电池方面是一个里程碑。此外，该装置为开发可伸缩的、可拉伸的、甚至健康的自供电生物传感器铺平了道路，用于生物信号的精确、灵敏和连续测量。