Solar RRL:全溶液全空气加工制备高效率有机太阳能电池

非富勒烯有机太阳能电池具有高效率、可溶液加工、弱光响应等优点,是当前太阳能电池技术的前沿热点研究方向。近来,非富勒烯有机太阳能电池在能量转换效率方面取得了重大突破,逐渐步入商业化应用阶段。然而,有机光伏相对高昂的制造成本仍然是个巨大的挑战。

目前,众多有机光伏器件均使用铟掺杂的氧化锡(ITO)电极。然而,ITO需要高温真空溅射,导致其价格相对昂贵。已有报道采用新的电极材料来代替ITO,如金属纳米线/纳米网格、石墨烯、碳纳米管、导电聚合物。其中,聚(3,4-亚乙基二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)薄膜的成本较低,并且该薄膜具有高的光电性能,优异的热稳定性,良好的柔韧性等。采用强酸掺杂提高PEDOT:PSS薄膜的导电性已有报道,但是通过改变或优化强酸掺杂方式等,进一步提高PEDOT:PSS电极的导电性以及电化学行为稳定性是PEDOT:PSS导电材料发展的必然要求;另外,有机光伏器件通常需要在高纯惰性气体氛围中制备,这将增加生产成本。尽管空气氛围中所制备的有机光伏器件也有报道,但是这类器件多采用高温真空溅射的ITO电极以及不属于全溶液加工的范畴。

中科院宁波材料所研究人员樊细等设计并制备了一种从底电极到顶电极均可实现溶液加工的高效率有机太阳能电池,以非富勒烯有机半导体组合(PM6:Y6)为光活性层,以硫酸和乙二醇层层纵深掺杂的PEDOT:PSS为底、顶电极。通过硫酸和乙二醇层层纵深掺杂PEDOT:PSS薄层,大幅去除电极内部绝缘的PSS成分,抑制大团聚的形成,从而获得了高导电且电化学行为相对稳定的PEDOT:PSS电极。PEDOT:PSS薄膜电极的最高电导率为4200 S cm−1;其品质因子高达100,以上数值是目前所报道的关于PEDOT:PSS电极电导率和品质因子的最高值。进而利用全溶液加工和转移-印刷技术,在空气氛围中制备了无ITO基的有机太阳能电池,电池的能量转换效率达到了11.12%。此外,该工作采用溶剂蒸气退火处理光活性层,精细化调控光活性层的相分离形貌,提高了器件的电子迁移率。 在惰性气体氛围下存放30天后,电池仍具有较高的能量转换效率(约为初始值的91%)。这类全溶液全空气氛围加工的有机太阳能电池能促进卷对卷溶液印刷和刮涂光伏器件的发展。该项工作为有机光伏器件的低成本化提供了重要的参考途径。

图.(a,b)原始薄膜的AFM和TEM形貌;(c)层层掺杂薄膜的TEM形貌;(d)富含PSS的原始薄膜XPS图谱;(e,f)上下表面富含PEDOT的层层掺杂薄膜的XPS图谱.

感谢共同通讯作者夏永高研究员、方俊锋研究员、聂婉怡博士的大力支持。樊细副研究员为论文的第一作者和通讯作者。该项工作以“Vacuum-free, all-solution and all-air processed organic photovoltaics with over 11% efficiency and promoted stability using layer-by-layer co-doped polymeric electrodes”为题发表在Solar RRL上(DOI:10.1002/solr.201900543)。