近日，Nature報道了一種新型柔性自供電電子設(shè)備，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。超柔性電源和傳感器的集成具有成為革命性工具的潛力，用于自供電的可穿戴電子設(shè)備和診斷工具。

科學家通過將太陽能電池（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制成的超薄基板上相結(jié)合來實現(xiàn)這一壯舉。OPV電池可以將接收到的光能量的10.5%轉(zhuǎn)化為電能，這是目前功率轉(zhuǎn)換效率最高的超柔元件。柔性O(shè)PV電池通常比它們的剛性同行低效率，后者已有更為成熟的制造工藝。Park等人通過將氧化鋅結(jié)構(gòu)引入OPV電池來克服這種局限性。這些結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換效率最大化。

OPV電池相對于剛性太陽能電池的另一個關(guān)鍵優(yōu)點是功率轉(zhuǎn)換效率對電池被光照的角度不敏感。在傳統(tǒng)的太陽能電池中，以較大角度入射到電池表面的光會經(jīng)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?？梢宰钚』肷涔獾姆瓷洌豢紤]照明角度。其結(jié)果是，這些器件的效率不受運動的影響，這是可穿戴生物傳感器的理想特性。使用柔性O(shè)PV電池為柔性傳感器供電要求在前者能夠在機械變形下具有穩(wěn)定的電氣性能。傳統(tǒng)的柔性O(shè)PV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(shè)備易碎。Park等人利用了其納米圖案化的OPV電池的超薄特性，并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(yīng)變?yōu)?00%），并且仍然保持高功率轉(zhuǎn)換效率。即使經(jīng)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(nèi)。使用納米顆粒的OPV電池來驅(qū)動OECT，組成為敏感和靈活的生物傳感器。科學家證明了自供電OPV-OECT傳感平臺可以檢測生物信號（如圖）。他們把平臺連接到一個人的手指和一個凝膠電極到人的胸部。由于離子在人體內(nèi)的運動，每次心跳都會在電極和平臺之間產(chǎn)生電壓差。這種差異通常太小而不能檢測到，但是由于OECT可以實現(xiàn)高信號放大，所以在這里是可以測量的。在發(fā)光二極管的恒定照明下，平臺記錄了清晰的心率信號。記錄靈敏度約為常規(guī)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。作者通過將傳感平臺連接到大鼠心臟暴露表面來驗證他們在體內(nèi)的方法的可靠性。他們成功地測量了動物的心率，證明了監(jiān)測生物信號的平臺的有效性。

在OPV系統(tǒng)可以完全集成到可穿戴設(shè)備之前，還需要進行幾種優(yōu)化。來自平臺的電子信號的傳輸仍然基于由外部源供電的傳統(tǒng)剛性硅基電子器件。此外，OPV單元僅產(chǎn)生低輸出功率，因此驅(qū)動復雜或具有高功耗的感測系統(tǒng)將是具有挑戰(zhàn)性的。OPV系統(tǒng)在生產(chǎn)用于自供電應(yīng)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(fā)可伸縮的、可拉伸的、甚至健康的自供電生物傳感器鋪平了道路，用于生物信號的精確、靈敏和連續(xù)測量。