Advanced Materials:全溶液涂覆制备高效率柔性有机太阳能电池

与晶体硅、III-V族等无机太阳能电池相比,可印刷制备、机械柔性优异是有机太阳能电池的核心优势。近年来,有机太阳能电池的效率快速提升,已经超过17%。然而,在这些高效率器件结构中,其电极主要采用真空蒸镀的金属作为顶电极,整个电池尚未能实现溶液涂覆/可印刷制备。对于全溶液加工制备有机太阳能电池,面临的关键问题包括:(1)溶液加工的相邻层界面间存在难以浸润或层间洗渗的问题;(2)能级失配导致界面处难以实现高效电荷传输与收集。因此,如何设计可全溶液加工的有机太阳能电池的器件结构,改善各层间的加工兼容性和实现层间界面处的高效电荷传输,是实现高效率的关键。

华中科技大学武汉光电国家研究中心周印华课题组设计并制备了一种从基底到顶电极均可实现溶液加工的高效率柔性有机太阳能电池,以高性能非富勒烯有机半导体组合(PBDB-T-2F:IDIC:Y6)为活性层,以PEDOT:PSS为顶电极。通过引入同样是溶液加工的氢钼青铜(HXMoO3),可解决非富勒烯活性层和PEDOT:PSS电极之间的润湿能力,同时改善空穴的电荷提取能力。需要指出的是,合成过程中HXMoO3的组分调控非常关键,插氢含量过高的HXMoO3易被上层PEDOT:PSS的水溶液洗去,从而难以实现高性能器件的制备。另外,对于底电极,将银纳米线(AgNWs)嵌入至聚酰亚胺薄膜基底中,提升底电极的平整度,保证上层薄膜的平整制备。最终,实现了效率为11.9% (0.04 cm2) 和10.3% (1 cm2)的全溶液加工的柔性非富勒烯有机太阳能电池。相比于常规的有机太阳能电池结构(以ITO和真空蒸镀的金属分别为底和顶电极),全溶液加工型结构充分展现了有机太阳能电池的核心优势,拉近其走向其产业化应用的距离。相关结果发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201907840)上。