华中科技大学 周印华Nat. Commun.：超柔非富勒烯聚合物-金属络合界面助力超柔有机太阳能电池

【引言】

最近，有机太阳能电池（OSC）因其易于加工、不断提高的功率转换效率（PCE），以及在柔性电子领域的应用而备受关注。与无机半导体相比，有机和聚合物半导体具有出色的机械柔韧性，因此能够制备出超柔韧性和可拉伸的有机光电器件。目前，超挠性的太阳能电池特征是可行的，但是在微米级弯曲半径的连续形变循环期间，电池的机械耐久性仍是挑战。为了获得良好的机械强度，所有功能层（包括电极，中间层和活性层）都需要良好的机械柔韧性。因此，具有良好机械柔韧性的聚合物基混合物，聚（3,4-乙撑二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS）和银纳米线（AgNWs）电极是柔性电极的良好的活性层材料。因此，中间层和电极的适当设计很重要。通常ZnO夹层在高弯曲应变下易于破裂，不利于制备超柔OSCs。具有良好的机械柔韧性非晶态聚合物的中间层力学性能稳定，能够承受循环变形。含胺的聚合物聚乙烯亚胺（PEI）已被用于在富勒烯太阳能电池中产生电子收集界面。但是，高性能非富勒烯受体往往会与PEI反应。该反应破坏了受体的化学和电子结构并导致性能下降。作者曾提出了一种质子化策略，可以通过将PEIE31的加工溶剂从酒精改为水来抑制反应。该策略仅适用于机械性能较差的铟锡氧化物（ITO）电极，而不适用于柔性PEDOT：PSS电极或AgNWs电极。质子化的PEIE是绝缘体，其厚度应很薄（约10 nm），以确保有效的电子提取。它不能用于平滑AgNW的粗糙表面。因此，开发能够承受高机械应变，并与非富勒烯活性层和柔性电极同时相容的中间层，是制造高PCE和良好机械强度的超柔性OSC的关键。

【成果简介】

近日，中国华中科技大学的周印华教授（通讯）作者等人，提出了一种Zn²⁺螯合聚乙烯亚胺（表示为PEI-Zn）的中间层，该中间层可以承受的最大弯曲应变是ZnO的两倍，且可以高效非富勒烯活性层化学相容。在1.3 μm的聚萘二甲酸乙二醇酯基板上，PEI-Zn中间层的超柔性非富勒烯太阳能电池，在PEDOT：PSS电极上的功率转换效率为12.3％，在AgNWs电极上的功率转换效率为15.0％。此外，超挠性电池在连续100次压缩-扁平形变循环中显示出几乎不变的功率转换效率，压缩比为45％。最后，超柔韧性电池被证明可以附着在手指关节上，并在手指弯曲伸展过程中进行可逆的电流输出。相关成果以“Robust metal ion-chelated polymer interfacial layer for ultraflexible non-fullerene organic solar cells”为题发表在Nature Communications上。

【图文导读】

图 1 超柔性OSC的结构和光伏性能

（a）超薄太阳能电池的结构和非富勒烯活性层的化学结构；

（b）超薄OSC的图及其附着在手腕上图；

（c，d）导电聚合物（PEDOT：PSS）或Ag纳米线作为透明电极的超薄器件的J-V特性。

图 2 PEI-Zn在OSC中作为电子传输层的性质和评估

（a）PEI-Zn作为电子传输层性能的OSC器件的结构；

（b）PEI-Zn ETL含有不同Zn含量比器件的J-V特性；

（c）IT-4F，IT-4F与PEI混合以及IT-4F与PEI-Zn溶液混合的吸收光谱（插图是三种溶液的光学照片）；

（d）不同Zn含量的PEI-Zn的功函数；

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

（g）对在175 µm厚的PES衬底上沉积的PEI-Zn和ZnO膜的应变测试曲线；

（h，i）PES基底上的薄膜连续500次弯曲后的SEM图像：（h）PEI-Zn薄膜，（i）ZnO薄膜。

图 3 极高的机械柔性

（a）附在300％预拉伸弹性体（VHB）上的超薄OSC的示意图；

（b）在释放的45％的压缩率弹性体上，绘制的超薄电池图片（右边是光学显微镜下压缩OSC的图）；

（c-e）不同电极/ETL的OSC的不同柔性超压缩循环后，光伏参数的变化：（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）拉伸释放设备上的OSC循环运动中的恢复情况；

（g）OSC附着在手指关节上循环运动中的恢复情况。

【小结】

本文提出了一种Zn²⁺螯合聚乙烯亚胺（PEI-Zn）的低功函数中间层，该中间层可以承受较高的机械弯曲应变，同时与富勒烯活性层具有良好的化学相容性。含有PEI-Zn中间层的超柔OSC的PCE高达15％。此外，在100个连续的压缩-扁平形变循环中，超挠性OSC显示出几乎不变的PCE，压缩比为45％。PEI-Zn层经过固溶处理，可与金属纳米线的可印刷柔性透明电极和导电聚合物PEDOT：PSS协同工作。Ag NWs/PEI-Zn电极的电池显示出与旋涂电极相当的性能。PEI-Zn在印刷电子和柔性电子领域非常有前途。

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

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaokefu，我们会邀请各位老师加入专家群。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。