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】

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。

2 PEI-ZnOSC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。

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)。

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