中科院Adv. Mater: >10％效率﹑全溶液加工和无金属氧化物的柔性有机太阳能电池

【引言】

由于高柔性，重量轻，成本低以及可印刷和卷对卷式加工的优势，有机太阳能电池（OSC）已经引起了巨大的关注。常见的柔性OSC是一种由柔性透明电极（FTE），低功函金属修饰的阴极和活性层组成的三明治结构。该领域的最终目标是通过印刷和卷对卷等工艺，制造高效率柔性和低成本的光伏组件。印刷的柔性器件要求其组成材料可液体加工，且与刚性器件的效率相媲美。因此，应该努力提高柔性器件的性能，并升级柔性OSC的制造工艺，以便实际应用。低温下的全溶液处理方案非常适合印刷，卷对卷加工和刮涂，并且还可以降低其成本。在OSC中，最常用的电极是金属掺杂的金属氧化物（MMO），例如铟掺杂的氧化锡（ITO）。然而，ITO在塑料基板上面临机械脆性和导电性问题。此外，金属氧化物膜通常在高温下通过真空溅射进行处理，这些问题使得MMO膜成本昂贵且与印刷和卷对卷加工不兼容。

【成果简介】

近日，中科院宁波材料所新能源技术研究所葛子义研究员和樊细副研究员（共同通讯作者）联合香港理工大学徐宾刚教授和严锋教授报道了一种高效的全溶液加工的无金属氧化物柔性OSC，其中PEDOT:PSS/PET基材在室温（≈20℃）下进行甲磺酸（CH₄SO₃）处理。这种温和酸处理诱导出光滑和均匀的PEDOT:PSS薄膜，且具有高光学和电学特性。与H₂SO₄和HNO₃的处理不同，室温温和甲磺酸处理避免了甲磺酸腐蚀破坏下层的塑料基材，因此它与塑料基材相兼容。此外，除了必须热沉积的铝阴极之外，柔性OSC器件的所有部件都可以在不超过100℃的温度下进行全溶液加工，这是一种简洁的方法，并与印刷和卷对卷加工兼容。全溶液加工柔性器件的V_OC为0.93 V，J_SC为15.49 mA cm^-2，填充因子（FF）为70.27％，其最高能量转换效率（PCE）为10.12％。经过1000次循环连续弯曲试验（弯曲半径r = 5.6mm）后，柔性器件保留了94％的初始PCE值。此外，当全溶液加工的刚性器件（衬底为玻璃基板），表现了高达10.60％的效率。相关研究成果“All‐Solution‐Processed Metal‐Oxide‐Free Flexible Organic Solar Cells with Over 10% Efficiency”为题发表在Advanced Materials上。

【图文导读】

图一 PEDOT:PSS的光电性能的表征

（a）室温酸处理改性PEDOT:PSS和DMSO掺杂PEDOT:PSS的导电率和方块电阻

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

图二 PEDOT:PSS薄膜的物相表征

（a）原始PEDOT:PSS薄膜的TEM图像

（b）室温温和酸处理的PEDOT:PSS薄膜TEM图像

（c）原始薄膜的AFM图像

（d）室温温和酸处理的薄膜AFM图像

图三 PEDOT:PSS薄膜的成分表征

（a）原始膜和室温温和酸处理的PEDOT:PSS膜的UPS谱图

（b）原始薄膜的S 2p XPS光谱

（c）室温温和酸处理的薄膜的S 2p XPS光谱

（d）两种薄膜的XPS全谱

图四 柔性OSC的结构和性能表征

（a）全溶液加工的柔性OSC的结构示意图

（b）电池的能级示意图

（c）基于ITO和PEDOT:PSS电极的刚性电池的J-V特性

（d）全溶液加工的柔性器件的J-V特性

（e）比较柔性OSC的PCE

（f）连续弯曲测试中柔性器件的归一化的PCE的变化

【小结】

该方法全溶液加工的柔性OSC是在室温 CH₄SO₃处理的PEDOT:PSS/PET基底上制备的。通过室温和甲磺酸处理，使得PEDOT:PSS薄膜表现了良好的光学、电学特性和光滑的表面（RMS：2.14nm），可归因于温和酸处理去除了部分绝缘物质PSS和诱导出更好的相分离形貌。此外，温和的甲磺酸处理避免了破坏塑料基板，这要归因于室温下温和甲磺酸的微弱破坏特性。实验发现，双层PEDOT:PSS 电极和双层PEDOT:PSS（4083）界面层的设计对柔性器件非常关键，因为它改善了界面的润湿性（θ= 10.2°），提高了空穴迁移率（2.38×10⁻⁴cm² V⁻¹ s⁻¹）以及高R_sq（≈40Ωsq^-1）。此外，PEDOT:PSS电极的功函数（-4.91 eV）与PEDOT:PSS（4083）界面层的功函数（-5.05 eV）相匹配，有利于空穴传输和被收集，提高了太阳能电池的V_OC。因此，全溶液加工的柔性OSCs的V_OC为0.93 V，J_SC为15.49 mA cm⁻²，FF为70.27％，PCE为10.12％，并且在1000次循环弯折中保持极高的效率值。全溶液加工柔性电池（FTE﹑阳极/阴极缓冲层以及活性层均为溶液加工）适用于印刷﹑卷对卷和刮涂柔性化OSCs，这将提高高效率低成本柔性OSC产品的市场渗透。

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

本文由材料人编辑部学术组微观世界编译，论文通讯作者葛子义研究员、樊细副研究员修正供稿。

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