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近日，南昌大學(xué)的陳義旺教授團(tuán)隊(duì)與蘇州大學(xué)李永舫、李耀文教授合作在《Advanced Science》發(fā)表了題為“Highly Efficient Flexible Polymer Solar Cells with Robust Mechanical Stability”的文章。研究通過(guò)在鋁摻雜的氧化鋅(AZO)中加入不同含量的聚多巴胺(PDA)，提高了無(wú)機(jī)界面層AZO的機(jī)械能性能，并在柔性器件的應(yīng)用中取得了十分突出的結(jié)果。

隨著近年來(lái)新型的給受體材料的發(fā)展，有機(jī)太陽(yáng)能電池的器件效率已經(jīng)突破14%。氧化鋅由于其電子遷移率高、制備簡(jiǎn)單等方面的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于聚合物太陽(yáng)能電池的電子傳輸層。然而，無(wú)機(jī)界面層本身的脆性及與上層粘附力不足，給聚合物太陽(yáng)能電池可穿戴應(yīng)用帶來(lái)挑戰(zhàn)，近年來(lái)并沒(méi)有受到廣泛的重視和研究。因此，采用各種方法來(lái)提高氧化鋅的機(jī)械性能有利于其更好地適應(yīng)于柔性器件及大規(guī)模的生產(chǎn)。

  本文首次提出了一種可彎曲且厚度不敏感的多巴胺修飾的AZO作為聚合物太陽(yáng)能電池的電子傳輸層，它特殊的柔性可以有效提高器件的機(jī)械性能。

圖1.彎折實(shí)驗(yàn)：不同電子傳輸層彎折次數(shù)的掃描電鏡圖和對(duì)應(yīng)的透光率和紫外吸收

有趣的是，隨著PDA的加入也可以有效地提高無(wú)機(jī)界面層與上層活性層之間的附著力。我們通過(guò)3M膠帶剝離實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)試界面的粘附性，很明顯，基于未摻雜的AZO基底，活性層很容易被剝離下來(lái)，然而，PDA中的功能性基團(tuán)與有機(jī)活性層之間存在分子間作用力，使得活性層的耐彎折性也能得到提高，改性后的界面層機(jī)械性能得到了顯著改善。

圖2 剝離實(shí)驗(yàn)：3M膠帶剝離活性層的光學(xué)照片和相應(yīng)的紫外吸收

改性后的電子傳輸層的器件性能也有所提高，在非富勒烯體系PBDB-T-2F:IT-4F中，基于厚度為80 nm的電子傳輸層AZO:1.5%PDA（AZO中加入摩爾分?jǐn)?shù)為1.5%的PDA）的器件性能達(dá)到12.7%，更重要的是，基于Ag-mesh柔性電極的柔性器件效率達(dá)到11.5%。而且在彎折1500次之后能仍夠保持原始效率的91%。這種具有厚度不敏感和良好機(jī)械性能的無(wú)機(jī)界面層，能夠提高柔性器件性能和發(fā)展大面積卷到卷印刷制造的柔性可穿戴聚合物太陽(yáng)能電池。

圖3 器件表征：玻璃和柔性基底器件性能表征

  該研究對(duì)未來(lái)大面積制備柔性器件提供了新的思路和方法。該工作的第一作者為南昌大學(xué)化學(xué)學(xué)院的談利承教授，碩士研究生王藝林為共同第一作者，南昌大學(xué)陳義旺教授和蘇州大學(xué)李耀文教授為論文共同通訊作者。

  近年來(lái)陳義旺教授和談利承教授課題組長(zhǎng)期致力于柔性太陽(yáng)能電池的器件設(shè)計(jì)，采用狹縫式擠出模頭對(duì)氧化石墨烯、PEG和酸處理碳納米管剪切分散，深度清洗PSS和還原處理，提高水溶性導(dǎo)電聚合物電導(dǎo)性，制備大面積碳基柔性透明電極，用于大面積高性能柔性光電器件。以π磺酸分散多壁碳納米管和Ag納米線為模板原位聚合PEDOT，獲得較低的方塊電阻，降低了吸濕性，作為透明電極制備高效率太陽(yáng)能電池。(Adv. Mater. Technol. 2017, Adv. Mater. Interfaces 2015, J. Mater. Chem. A 2016, 2015, Carbon 2016)。通過(guò)電紡PVP半包埋于PDMS，無(wú)電鍍沉積金屬銅，制備大面積可拉伸透明導(dǎo)電薄膜。(ACS Appl. Mater. Interfaces 2017)。在柔性基底上涂敷具有透明高黏結(jié)性的聚多巴胺(PDA)，原位生長(zhǎng)金屬銀膜，靜電紡絲纖維作掩膜板輔助稀酸刻蝕制備出與基底高附著力金屬網(wǎng)格透明電極，在1.01cm2有效面積下的有機(jī)太陽(yáng)能電池的PCE與商業(yè)化的柔性ITO電極相當(dāng)。(Org. Electron. 2018)。通過(guò)卷對(duì)卷印刷技術(shù)制備大面積、低成本(每平方米15~20元)的PEDOT:PSS/銀網(wǎng)格復(fù)合透明電極，方塊電阻可以達(dá)到4.5~5.0 ?/□。(ACS Appl. Mater. Interfaces 2018)。同時(shí)發(fā)展了一套含放卷和收卷、等離體清洗、干燥單元、牽引單元、糾偏單元、微凹版涂布和狹縫涂布單元、UV固化單元、自動(dòng)切片等多功能柔性電子涂布機(jī)，可全自動(dòng)化、大面積溶液加工卷對(duì)卷印刷柔性光電器件。

  在柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)方面，通過(guò)對(duì)鈣鈦礦前驅(qū)體溶液引入彈性體PU，在減緩鈣鈦礦晶體結(jié)晶速率的同時(shí)，PU將鈣鈦礦晶粒之間粘接起來(lái)，形成網(wǎng)絡(luò)，有效地提高了鈣鈦礦薄膜的耐彎折性能，效率高達(dá)18.7%。 (Adv. Funct. Mater. 2017 Inside Front Cover, Top 10 Hot Paper 2017/09)。

  原文鏈接：

  Licheng Tan, Yilin Wang, Jingwen Zhang, Shuqin Xiao, Huanyu Zhou, Yaowen Li*, Yiwang Chen*, Yongfang Li, Highly Efficient Flexible Polymer Solar Cells with Robust Mechanical Stability, Adv. Sci. (2019).

  DOI：10.1002/advs.201801180