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向自然学习-南昌大学陈义旺教授团队首次提出贻贝仿生法提高氧化锌耐弯折性实现有机太阳能电池柔性设计
2019-01-08 来源:中国流变网    点击次数:76次    

  近日,南昌大学的陈义旺教授团队与苏州大学李永舫、李耀文教授合作在《Advanced Science》发表了题为“Highly Efficient Flexible Polymer Solar Cells with Robust Mechanical Stability”的文章。研究通过在铝掺杂的氧化锌(AZO)中加入不同含量的聚多巴胺(PDA),提高了无机界面层AZO的机械能性能,并在柔性器件的应用中取得了十分突出的结果。

  随着近年来新型的给受体材料的发展,有机太阳能电池的器件效率已经突破14%。氧化锌由于其电子迁移率高、制备简单等方面的优点已经广泛应用于聚合物太阳能电池的电子传输层。然而,无机界面层本身的脆性及与上层粘附力不足,给聚合物太阳能电池可穿戴应用带来挑战,近年来并没有受到广泛的重视和研究。因此,采用各种方法来提高氧化锌的机械性能有利于其更好的适应于柔性器件及大规模的生产。

  本文首次提出了一种可弯曲且厚度不敏感的多巴胺修饰的AZO作为聚合物太阳能电池的电子传输层,它特殊的柔性可以有效提高器件的机械性能。

图1.弯折实验:不同电子传输层弯折次数的扫面电镜图

  有趣的是,随着PDA的加入也可以有效地提高无机界面层与上层活性层之间的附着力。我们通过3M胶带剥离实验来测试界面的粘附性,很明显,基于未掺杂的AZO基底,活性层很容易被剥离下来,然而,PDA中的功能性基团有机活性层之间的分子间作用力,活性层耐弯折性也能得到提高,改性后的界面层机械性能得到了显著改善。

图2 剥离实验:3M胶带剥离活性层的光学照片

  改性后的电子传输层的器件性能也有所提高,在非富勒烯体系PBDB-T-2F:IT-4F中,基于厚度为80 nm的电子传输层AZO:1.5%PDA(AZO中加入摩尔分数为1.5%的PDA)的器件性能达到12.7%,更重要的是,基于Ag-mesh柔性电极的柔性器件效率达到11.5%。而且在弯折1500次之后能仍够保持原始效率的91%。这种具有厚度不敏感和良好机械性能的无机界面层,能够提高柔性器件性能和发展大面积卷到卷印刷制造的柔性可穿戴聚合物太阳能电池。

图3 器件表征:玻璃和柔性基底器件性能表征

  该研究对未来大面积制备柔性器件提供了新的思路和方法。该工作的第一作者为南昌大学化学学院的谈利承教授,硕士研究生王艺林为共同第一作者,南昌大学陈义旺教授和苏州大学李耀文教授为论文共同通讯作者。

  近年来陈义旺教授和谈利承教授课题组长期致力于柔性太阳能电池的器件设计,采用狭缝式挤出模头对氧化石墨烯、PEG和酸处理碳纳米管剪切分散,深度清洗PSS和还原处理,提高水溶性导电聚合物电导性,制备大面积碳基柔性透明电极,用于大面积高性能柔性光电器件。以π磺酸分散多壁碳纳米管和Ag纳米线为模板原位聚合PEDOT,获得较低的方块电阻,降低了吸湿性,作为透明电极制备高效率太阳能电池。(Adv. Mater. Technol. 2017, Adv. Mater. Interfaces 2015, J. Mater. Chem. A 2016, 2015, Carbon 2016)。通过电纺PVP半包埋于PDMS,无电镀沉积金属铜,制备大面积可拉伸透明导电薄膜。(ACS Appl. Mater. Interfaces 2017)。在柔性基底上涂敷具有透明高黏结性的聚多巴胺(PDA),原位生长金属银膜,静电纺丝纤维作掩膜板辅助稀酸刻蚀制备出与基底高附着力金属网格透明电极,在1.01cm2有效面积下的有机太阳能电池的PCE与商业化的柔性ITO电极相当。(Org. Electron. 2018)。通过卷对卷印刷技术制备大面积、低成本(每平方米15~20元)的PEDOT:PSS/银网格复合透明电极,方块电阻可以达到4.5~5.0 ?/□。(ACS Appl. Mater. Interfaces 2018)。同时发展了一套含放卷和收卷、等离体清洗、干燥单元、牵引单元、纠偏单元、微凹版涂布和狭缝涂布单元、UV固化单元、自动切片等多功能柔性电子涂布机,可全自动化、大面积溶液加工卷对卷印刷柔性光电器件。

  在柔性钙钛矿太阳能电池设计方面,通过对钙钛矿前驱体溶液引入弹性体PU,在减缓钙钛矿晶体结晶速率的同时,PU将钙钛矿晶粒之间粘接起来,形成网络,有效地提高了钙钛矿薄膜的耐弯折性能,效率高达18.7%。 (Adv. Funct. Mater. 2017 Inside Front Cover, Top 10 Hot Paper 2017/09)。

  原文链接:

  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

 
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