中科院Adv. Mater: >10％效率﹑全溶液加工和無金屬氧化物的柔性有機太陽能電池

【引言】

由于高柔性，重量輕，成本低以及可印刷和卷對卷式加工的優勢，有機太陽能電池（OSC）已經引起了巨大的關注。常見的柔性OSC是一種由柔性透明電極（FTE），低功函金屬修飾的陰極和活性層組成的三明治結構。該領域的最終目標是通過印刷和卷對卷等工藝，制造高效率柔性和低成本的光伏組件。印刷的柔性器件要求其組成材料可液體加工，且與剛性器件的效率相媲美。因此，應該努力提高柔性器件的性能，并升級柔性OSC的制造工藝，以便實際應用。低溫下的全溶液處理方案非常適合印刷，卷對卷加工和刮涂，并且還可以降低其成本。在OSC中，最常用的電極是金屬摻雜的金屬氧化物（MMO），例如銦摻雜的氧化錫（ITO）。然而，ITO在塑料基板上面臨機械脆性和導電性問題。此外，金屬氧化物膜通常在高溫下通過真空濺射進行處理，這些問題使得MMO膜成本昂貴且與印刷和卷對卷加工不兼容。

【成果簡介】

近日，中科院寧波材料所新能源技術研究所葛子義研究員和樊細副研究員（共同通訊作者）聯合香港理工大學徐賓剛教授和嚴鋒教授報道了一種高效的全溶液加工的無金屬氧化物柔性OSC，其中PEDOT:PSS/PET基材在室溫（≈20℃）下進行甲磺酸（CH₄SO₃）處理。這種溫和酸處理誘導出光滑和均勻的PEDOT:PSS薄膜，且具有高光學和電學特性。與H₂SO₄和HNO₃的處理不同，室溫溫和甲磺酸處理避免了甲磺酸腐蝕破壞下層的塑料基材，因此它與塑料基材相兼容。此外，除了必須熱沉積的鋁陰極之外，柔性OSC器件的所有部件都可以在不超過100℃的溫度下進行全溶液加工，這是一種簡潔的方法，并與印刷和卷對卷加工兼容。全溶液加工柔性器件的V_OC為0.93 V，J_SC為15.49 mA cm^-2，填充因子（FF）為70.27％，其最高能量轉換效率（PCE）為10.12％。經過1000次循環連續彎曲試驗（彎曲半徑r = 5.6mm）后，柔性器件保留了94％的初始PCE值。此外，當全溶液加工的剛性器件（襯底為玻璃基板），表現了高達10.60％的效率。相關研究成果“All‐Solution‐Processed Metal‐Oxide‐Free Flexible Organic Solar Cells with Over 10% Efficiency”為題發表在Advanced Materials上。

【圖文導讀】

圖一?PEDOT:PSS的光電性能的表征

（a）室溫酸處理改性PEDOT:PSS和DMSO摻雜PEDOT:PSS的導電率和方塊電阻

（b）PET（≈200μm），PEDOT:PSS/PET和ITO (≈180 nm)/PET的透射光譜

圖二?PEDOT:PSS薄膜的物相表征

（a）原始PEDOT:PSS薄膜的TEM圖像

（b）室溫溫和酸處理的PEDOT:PSS薄膜TEM圖像

（c）原始薄膜的AFM圖像

（d）室溫溫和酸處理的薄膜AFM圖像

圖三?PEDOT:PSS薄膜的成分表征

（a）原始膜和室溫溫和酸處理的PEDOT:PSS膜的UPS譜圖

（b）原始薄膜的S 2p XPS光譜

（c）室溫溫和酸處理的薄膜的S 2p XPS光譜

（d）兩種薄膜的XPS全譜

圖四?柔性OSC的結構和性能表征

（a）全溶液加工的柔性OSC的結構示意圖

（b）電池的能級示意圖

（c）基于ITO和PEDOT:PSS電極的剛性電池的J-V特性

（d）全溶液加工的柔性器件的J-V特性

（e）比較柔性OSC的PCE

（f）連續彎曲測試中柔性器件的歸一化的PCE的變化

【小結】

該方法全溶液加工的柔性OSC是在室溫 CH₄SO₃處理的PEDOT:PSS/PET基底上制備的。通過室溫和甲磺酸處理，使得PEDOT:PSS薄膜表現了良好的光學、電學特性和光滑的表面（RMS：2.14nm），可歸因于溫和酸處理去除了部分絕緣物質PSS和誘導出更好的相分離形貌。此外，溫和的甲磺酸處理避免了破壞塑料基板，這要歸因于室溫下溫和甲磺酸的微弱破壞特性。實驗發現，雙層PEDOT:PSS 電極和雙層PEDOT:PSS（4083）界面層的設計對柔性器件非常關鍵，因為它改善了界面的潤濕性（θ= 10.2°），提高了空穴遷移率（2.38×10^?4cm² V^?1 s^?1）以及高R_sq（≈40Ωsq^-1）。此外，PEDOT:PSS電極的功函數（-4.91 eV）與PEDOT:PSS（4083）界面層的功函數（-5.05 eV）相匹配，有利于空穴傳輸和被收集，提高了太陽能電池的V_OC。因此，全溶液加工的柔性OSCs的V_OC為0.93 V，J_SC為15.49 mA cm^?2，FF為70.27％，PCE為10.12％，并且在1000次循環彎折中保持極高的效率值。全溶液加工柔性電池（FTE﹑陽極/陰極緩沖層以及活性層均為溶液加工）適用于印刷﹑卷對卷和刮涂柔性化OSCs，這將提高高效率低成本柔性OSC產品的市場滲透。

文獻鏈接：“All‐Solution‐Processed Metal‐Oxide‐Free Flexible Organic Solar Cells with Over 10% Efficiency”(Adv.mater.2018 DOI: 10.1002/adma.201800075)

本文由材料人編輯部學術組微觀世界編譯，論文通訊作者葛子義研究員、樊細副研究員修正供稿。

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