最新Nature Energy：有机光伏技术重大突破

有机光伏(OPV)具有重量轻、易于加工和优异的机械灵活性等突出特点，在物联网、可穿戴和便携式电子设备能源供给方面具有巨大的应用潜力。为了为应用提供足够的功率，有必要制造大面积柔性有机光伏模块。然而，大面积柔性有机光伏组件存在漏电流和相邻子电池电接触不良的问题，造成效率和稳定性损失。实现高性能柔性大面积模组是有机光伏领域面临的重要难题，相邻子电池之间的漏电流大和电接触不良是导致柔性大面积有机光伏模组效率和稳定性不足的关键因素，限制了有机光伏的应用。

首先，由于激子扩散长度和电荷载流子迁移率的限制，要达到最佳效率，有机有源层必须很薄（约100-300 nm）。薄有机有源层是柔性的。底部透明电极表面粗糙度大，如尖峰和颗粒，会导致漏电流通过有源层。因此，柔性透明底部电极不仅要非常光滑，还要兼顾导电性和透光性。银纳米线（AgNWs）柔性电极具有良好的导电性和透光性平衡。它已被广泛用作高效柔性小面积OPV电池的透明底电极。然而，AgNWs底部透明电极尚未成功应用于大面积柔性组件。这是因为AgNWs薄膜表面粗糙。在放大使用AgNW底部电极的柔性OPV组件时会出现漏电流。其次，薄膜光伏组件通常具有分离线结构，然而，AgNWs具有较低的激光蚀刻耐受性，在激光烧蚀去除有源层的过程中，AgNWs底电极很难保持完整。底部受损的AgNWs将无法与前一个相邻子电池的顶部电极形成充分的电接触。

针对该问题，近日，华中科技大学周印华教授团队在Nature Energy上发表题为“Increase in the efficiency and stability of large-area flexible organic photovoltaic modules via improved electrical contact”的论文。该项工作通过抑制漏电流和改善电接触实现了高性能和稳定的大面积柔性OPV组件。研究人员将大面积的银纳米线电极嵌入到聚合物衬底中，以减少表面粗糙度，从而抑制漏电流，并在相邻的子电池之间沉积铬和银纳米线以改善电接触。研究表明，铬抑制了银膜的聚集，增加了银膜在热退火、机械弯曲和光照下的激光辐照度，并保持了银膜的导电性。这些改进提高了柔性OPV组件的光电效率和稳定性，有望推动柔性有机光伏技术走向实际应用

图1大面积柔性OPV组件的结构和性能

图2大面积AgNWs-em-PVA柔性透明电极

图3活性层和电极薄膜的激光蚀刻通量

图4薄膜和设备稳定性

该项工作通过改善电接触，实现了高效稳定的大面积柔性有机光伏组件。通过在聚合物衬底中嵌入银纳米线，制备了光滑的大面积柔性透明电极，以减少大面积模块中的电分流。在相邻的子电池之间沉积了Cr (5nm)/Ag (40nm)薄膜，形成高效稳定的电接触。Cr/Ag薄膜的引入创造了宽的激光加工窗口，可以完全去除有机活性层，同时保持底部AgNWs透明电极的完整。沉积的Cr薄膜可以抑制银薄膜在高温下形成聚集。同时提高了电接触效率，从而提高了激光刻蚀的耐受性和器件在连续机械弯曲和光照下的稳定性。大面积柔性模块的有效面积为41 cm²，经认证的功率转换效率为14.04%。有效面积为370 cm²的模块(由9片单片组装)显示出13.10%的认证效率和103.51 V的高开路电压。大面积柔性模组在连续照射912小时后，仍能保持初始效率的90.4±2.3%。高效率和稳定性将推动柔性有机光伏技术走向实际应用。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41560-024-01501-1