華中科技大學 周印華Nat. Commun.：超柔非富勒烯聚合物-金屬絡合界面助力超柔有機太陽能電池

【引言】

最近，有機太陽能電池（OSC）因其易于加工、不斷提高的功率轉換效率（PCE），以及在柔性電子領域的應用而備受關注。與無機半導體相比，有機和聚合物半導體具有出色的機械柔韌性，因此能夠制備出超柔韌性和可拉伸的有機光電器件。目前，超撓性的太陽能電池特征是可行的，但是在微米級彎曲半徑的連續形變循環期間，電池的機械耐久性仍是挑戰。為了獲得良好的機械強度，所有功能層（包括電極，中間層和活性層）都需要良好的機械柔韌性。因此，具有良好機械柔韌性的聚合物基混合物，聚（3,4-乙撐二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT：PSS）和銀納米線（AgNWs）電極是柔性電極的良好的活性層材料。因此，中間層和電極的適當設計很重要。通常ZnO夾層在高彎曲應變下易于破裂，不利于制備超柔OSCs。具有良好的機械柔韌性非晶態聚合物的中間層力學性能穩定，能夠承受循環變形。含胺的聚合物聚乙烯亞胺（PEI）已被用于在富勒烯太陽能電池中產生電子收集界面。但是，高性能非富勒烯受體往往會與PEI反應。該反應破壞了受體的化學和電子結構并導致性能下降。作者曾提出了一種質子化策略，可以通過將PEIE31的加工溶劑從酒精改為水來抑制反應。該策略僅適用于機械性能較差的銦錫氧化物（ITO）電極，而不適用于柔性PEDOT：PSS電極或AgNWs電極。質子化的PEIE是絕緣體，其厚度應很薄（約10 nm），以確保有效的電子提取。它不能用于平滑AgNW的粗糙表面。因此，開發能夠承受高機械應變，并與非富勒烯活性層和柔性電極同時相容的中間層，是制造高PCE和良好機械強度的超柔性OSC的關鍵。

【成果簡介】

近日，中國華中科技大學的周印華教授（通訊）作者等人，提出了一種Zn²⁺螯合聚乙烯亞胺（表示為PEI-Zn）的中間層，該中間層可以承受的最大彎曲應變是ZnO的兩倍，且可以高效非富勒烯活性層化學相容。在1.3 μm的聚萘二甲酸乙二醇酯基板上，PEI-Zn中間層的超柔性非富勒烯太陽能電池，在PEDOT：PSS電極上的功率轉換效率為12.3％，在AgNWs電極上的功率轉換效率為15.0％。此外，超撓性電池在連續100次壓縮-扁平形變循環中顯示出幾乎不變的功率轉換效率，壓縮比為45％。最后，超柔韌性電池被證明可以附著在手指關節上，并在手指彎曲伸展過程中進行可逆的電流輸出。相關成果以“Robust metal ion-chelated polymer interfacial layer for ultraflexible non-fullerene organic solar cells”為題發表在Nature Communications上。

【圖文導讀】

圖 1 超柔性OSC的結構和光伏性能

（a）超薄太陽能電池的結構和非富勒烯活性層的化學結構；

（b）超薄OSC的圖及其附著在手腕上圖；

（c，d）導電聚合物（PEDOT：PSS）或Ag納米線作為透明電極的超薄器件的J-V特性。

圖 2 PEI-Zn在OSC中作為電子傳輸層的性質和評估

（a）PEI-Zn作為電子傳輸層性能的OSC器件的結構；

（b）PEI-Zn ETL含有不同Zn含量比器件的J-V特性；

（c）IT-4F，IT-4F與PEI混合以及IT-4F與PEI-Zn溶液混合的吸收光譜（插圖是三種溶液的光學照片）；

（d）不同Zn含量的PEI-Zn的功函數；

（e，f）不同Zn含量的PEI-Zn膜的XPS：N 1 s（e），Zn 2p（f）；

（g）對在175 μm厚的PES襯底上沉積的PEI-Zn和ZnO膜的應變測試曲線；

（h，i）PES基底上的薄膜連續500次彎曲后的SEM圖像：（h）PEI-Zn薄膜，（i）ZnO薄膜。

圖 3 極高的機械柔性

（a）附在300％預拉伸彈性體（VHB）上的超薄OSC的示意圖；

（b）在釋放的45％的壓縮率彈性體上，繪制的超薄電池圖片（右邊是光學顯微鏡下壓縮OSC的圖）；

（c-e）不同電極/ETL的OSC的不同柔性超壓縮循環后，光伏參數的變化：（c）PEN/ITO/ZnO和PEN/ITO/PEI-Zn，（d）PEN/AgNWs/ZnO和PEN/AgNWs/PEI-Zn，（e）PEN/PEDOT：PSS/PEI-Zn；

（f）拉伸釋放設備上的OSC循環運動中的恢復情況；

（g）OSC附著在手指關節上循環運動中的恢復情況。

【小結】

本文提出了一種Zn²⁺螯合聚乙烯亞胺（PEI-Zn）的低功函數中間層，該中間層可以承受較高的機械彎曲應變，同時與富勒烯活性層具有良好的化學相容性。含有PEI-Zn中間層的超柔OSC的PCE高達15％。此外，在100個連續的壓縮-扁平形變循環中，超撓性OSC顯示出幾乎不變的PCE，壓縮比為45％。PEI-Zn層經過固溶處理，可與金屬納米線的可印刷柔性透明電極和導電聚合物PEDOT：PSS協同工作。Ag NWs/PEI-Zn電極的電池顯示出與旋涂電極相當的性能。PEI-Zn在印刷電子和柔性電子領域非常有前途。

文獻鏈接：Robust metal ion-chelated polymer interfacial layer for ultraflexible non-fullerene organic solar cells（Nature Communications, 2020, DOI: 10.1038/s41467-020-18373-0）。

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