随着人们对智能建筑、便携式供电设备以及可穿戴器件等产品的需求日益增加，柔性有机太阳能电池(FOSCs)因为重量轻、加工方便、光电转化效率(PCE)高成为理想的柔性电源。在“柔性、轻质、美观、低成本”的场景下，FOSCs展现出不可替代的优势，是未来移动能源和建筑一体化能源的重要发展方向。

柔性基底的性能要求

FOSCs电池主要由柔性基底、柔性透明电极、界面层、光活性层和背电极组成，其关键部件在于柔性基底与柔性透明电极，它们显著影响了器件的PCE、柔韧性以及机械性能。

FOSCs电池的典型器件结构图

为获得高PCE与良好机械性能的柔性器件，柔性基底需满足：

（1）高透射率，保证光活性层充分吸光；

（2）低表面粗糙度，避免漏电流和短路；

（3）优异的机械柔性；

（4）耐溶剂性能；

（5）耐高温性能；

（6）高表面能，利于溶液浸润表面；

（7）低热膨胀系数（CTE），防止应变和裂纹；

（8）良好的氧气和水阻隔性能。

此外，还需兼顾可加工性与低成本，且具体要求因导电层类型而异。

柔性玻璃基底

超薄玻璃（厚度<100 μm）可实现柔性，透射率超过90%，CTE低至3~3.5 ppm·K⁻¹，可耐受600℃以上高温及几乎所有化学溶剂，表面粗糙度<1 nm，成本低廉。能通过改变化学成分和加工方法来改变玻璃的“颜色”，使其在特定的波长范围内保持透明。

典型代表为柳叶玻璃（铝硅酸盐柔性玻璃），具有很高的透明度和较薄的厚度，其高表面能也使得它能够兼容等多种制备工艺。主要缺点是弯曲刚度较高，相同厚度下刚性远大于聚合物板材。

（a）柔性可弯曲超薄玻璃板（b）基于柔性柳叶玻璃制造的器件的J-V特性及器件弯曲状态

常规聚合物柔性基底

常规聚合物如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)等是应用最广泛的柔性基底材料，但仍然存在耐热性、光学性能等方面的局限性。未来可能发展新型聚合物，如改性PI、高透明度低折射率的有机-无机复合材料等。

1、PET与PEN基底

PET和PEN是已经商业化的聚酯家族优异的半结晶热塑性聚合物树脂，可见光区的透射率高于85%，延展性良好，断裂伸长率高达70%，在弯曲或屈曲情况下具备机械柔性。两者都是疏水聚合物，具有良好的有机溶剂耐受性和介电性能。并且水氧透过率较低，100μm厚的PET基底的水蒸气透过率约为9g·m²·d⁻¹，PEN基底约为2g·m²·d⁻¹，低于其他常见聚合物基底。

基于PET/PODOT:PSS柔性透明电极的器件结构图及J-V曲线

2、聚二甲基硅氧烷基底

聚二甲基硅氧烷(PDMS)是透明的橡胶状材料，具有非常低的氧气/水蒸气透过率、非常高的可拉伸性、高的透射率以及高的耐溶剂性。但是PDMS的耐温度性与柔性还有待提升，低表面能导致器件功能层成膜状况差，且Tg较低(约−50℃)，在器件制备过程受限制。

表面纹理PDMS基底制造和相应器件结构示意图

3、热塑性聚氨酯基底

TPU具有光滑的表面、良好的润湿性、高弹性模量和抗疲劳性。但在实际应用中TPU较低的Tg(80~120℃)以及对氯仿、氯苯等有机溶剂较差的耐受性则限制了它的进一步发展，而较低的透射率也会影响器件对光子的吸收。

SOSC的J-V特性曲线和施加在SOSC上的拉伸应变

4、聚酰亚胺基底

聚酰亚胺(PI)在高温下具有相对好的稳定性和强的耐溶剂性，能抵抗半导体制造工业中常用的化学试剂，具备优异的机械性能，即使基底很薄也能保持支撑性与化学稳定性，是超薄柔性基底最佳选择之一。

基于PI/ITO柔性透明电极的3μm厚的超柔有机太阳能电池

然而PI会吸收可见光区域中的蓝光，降低基底的透射率，这可能会限制其在柔性显示器以及柔性光伏器件中的应用；弹性应变小于1%，小于多数聚合物，在用于可拉伸电子器件或需要大的应变的场合时存在问题；PI在某些极性溶剂中溶解性良好，PI基底在溶液处理的逐层制造过程中可能被破坏。

5、聚乙烯醇基底

聚乙烯醇(PVA)因其理想的透射率、柔韧性、机械稳定性和高水溶性被用作柔性基底。然而，PVA薄膜具有强吸湿性，限制了其使用场景、降低了FOSCs的稳定性，常通过交联的方式提升PVA的耐溶剂性；较差的耐水性、耐热性使得PVA薄膜不能承受高温退火，限制了大面积柔性FOSCs模组的电子与空穴传输层或活性层的优化；同时拉伸强度较低、对极性溶剂不耐受，解决这些缺陷将有助于PVA在FOSCs的进一步发展。

将AgNWs嵌入PVA基底构成的FTE结构及图片

生物质柔性基底

生物质材料具有来源丰富、绿色等优点，在柔性电子领域，特别是可穿戴器件领域，的开发

和应用获得越来越多的重视。近年来，生物质材料如生物蛋白、纤维素及其衍生物等在OSCs的多个方面，特别是柔性基底方面获得广泛的关注。

1、丝素蛋白基底

生物蛋白质是一类重要的天然高分子材料，具有很强的力学性能、生物相容性和生物可降解性。丝素蛋白(SF)是由蚕或蜘蛛产生的纤维蛋白，SF分子可以组装成具有高度有序取向的纳米晶体的丝素纤维，具有高强度和良好的韧性、重量轻、透射率高，能广泛应用于柔性电子产品。

将AgNWs嵌入SF基底中来制备FTE

2、蛋白纤维基底

蛋白纤维(KF)是另一种具有代表性的天然蛋白质，来源于动物的毛发和羽毛，具有良好的化学稳定性和高机械强度。近年来，角蛋白在光电子器件领域的应用潜力得到了极大的开发。

SF和KF都是通过水溶液制备的，所以它们的耐水性较差，在其制备过程和户外应用期间应远离水。因此，开发对极性溶剂具有良好耐受性的天然材料对环保基底在FOSCs中的应用至关重要。

3、纳米纤维素基底

纤维素是世界上最丰富的天然物质，其主要来源于传统的制浆工业。除了柔韧性、重量轻和可生物降解外，纤维素还具有较低的CTE(28~40ppm·K⁻¹)和高热稳定性(250℃)。

为降低纤维素基底的表面粗糙度并提高透射率，研究者从纤维素纸浆剥离出纤维素纳米纤维(CNF)，直径为4~60nm，长度为0.5~2µm，可制成透明CNF薄膜，光线可以从基底照射进入器件。然而，CNF薄膜的表面粗糙度（20~40nm）仍然远大于商业塑料基底(2~4nm)。

CNF薄膜用作有机太阳能电池的柔性基底

纤维素纳米晶体(CNC)基底厚度为18µm时，显示出接近80%的平均透射率(300~1000nm)和非常光滑的表面(RMS为(1.8±0.6)nm)，与商业化的PET相当。

4、复合纤维素基底

CNF和CNC的高结晶度导致的脆性限制了它们在柔性器件中的应用，研究者开始将CNC与其它纤维素一起构成聚合物复合材料，对基底的机械性能进行增强。

刚性CNC与柔性的双羟丙基纤维素(DHPC)混合可制造全纤维素纳米复合材料柔性基底，但由于CNC在水溶液中易分散，基于CNC的FOSCs器件结构被限于倒置结构，不利于未来的户外应用。

CNC/DHPC纳米复合材料柔性基底

通过对纤维素进行交联提升基底的耐溶剂性能，构成纤维素玻璃化聚合物(CV)薄膜，具有较高的透射率与较低的粗糙度，基于CV柔性基底的正向器件最终获得了17.25%的PCE，反向器件为16.64%。

乙基纤维素(EC)薄膜表面覆盖PI薄膜组成EC/PI基底，实现了18.05%的PCE，与刚性器件的数值相当。EC@ETPTA基底的柔性器件厚度<10μm，转换效率达18.24%，通过进一步构建减反射结构效率提升至18.71%。

复合纤维素基底目前的力学性能仍有进步空间，较差的水氧透过率也会影响器件运行的稳定性。

小结

柔性基底不仅决定了FOSCs的柔性特质，还直接影响其效率、稳定性及机械性能。目前尚无各方面都完美的柔性基底，实际应用中需根据具体场景选择合适的基底。不同种类的柔性基底可为FOSCs赋予可拉伸、辐射制冷、自修复等附加功能，极大拓展了应用场景。

现有柔性基底在光学、机械、热学等方面仍存在不足，需持续优化以满足更高性能要求。未来，高透光、耐高温、超柔韧、环保化、智能化将成为柔性基底材料的重要发展方向。

参考文献：

[1]肖政,李龙钰,万相见.柔性透明电极基底及其在有机光伏中的应用进展[J].高分子学报,2025,56(11):1890-1909.

粉体圈七七