Advanced Function Materials:高性能柔性有机太阳能电池中柔性透明电极的掺杂与设计:最新进展与展望

中科院宁波材料所研究人员樊细围绕柔性透明电极和柔性有机光伏(OPV)的研究工作在《先进功能材料》攥写发表综述。题目: Doping and Design of Flexible Transparent Electrodes for High-Performance Flexible Organic Solar Cells: Recent Advances and Perspectives。主要围绕柔性透明电极(PEDOT:PSS、金属纳米线、金属纳米网格、石墨烯、金属氧化物/金属/金属氧化物、二维材料Ti3C2Tx、以及杂化透明电极等)的掺杂和设计(图1), 阐述柔性透明电极的导电性、功函数、浸润性和稳定性提升的机制, 详细总结了这些柔性透明电极在柔性OPV领域的前沿进展(图2), 剖析了各类柔性透明电极和柔性OPV所存在的问题以及相应的挑战, 并提出了解决方法、途径和新的展望。这一成果最近发表在国际著名期刊Adv. Funct. Mater. 2020, 2009399(唯一作者)。

1. 柔性透明电极的掺杂方法和设计策略示意图

2. 2012年至2020年柔性透明电极和柔性有机光伏的发展里程碑

作者主要研究方向是柔性透明电极和柔性可拉伸有机光电子材料与器件, 致力于实现全溶液与多溶液加工、柔性、可拉伸、半透明有机光电子器件。回顾近七年起草发表的柔性电子论文(含合作工作), 研究历程归纳为五个方面:

一)酸化PEDOT:PSS电极的晶化机理和性能研究

早期采用甲磺酸和醇掺杂获得了可弯折的晶性PEDOT:PSS电极。拓展了掺杂PEDOT:PSS电极在柔性OPV领域的应用【ACS Appl. Mater. Interfaces 7, 16287, 2015】。

二)高导电和高柔性的PEDOT:PSS电极的掺杂机理和性能研究

为了使PEDOT:PSS电极具高的电导率和高的柔性, 先后发展了三种方法和策略, 即甲磺酸辅助转移-印刷策略【ACS Appl. Mater. Interfaces 8, 14029, 2016】、低温甲磺酸温和掺杂方法【Adv. Mater. 30, 1800075, 2018】、富羟基醇辅助印刷策略【Mater. Chem. Front. 3, 901, 2019】。在此基础上开展柔性OPV的性能研究, 从酸残留、薄膜成分、薄膜微纳形貌、界面结合力、表面浸润性等角度研究电极的导电性、机械性能和电学稳定性的调控机理。

三)从柔性导电膜拓展到可拉伸导电膜研究

系统研究了高分子量软物质掺杂薄膜【Mater. Chem. Front. 2, 355, 2018】、PEDOT:PSS/银纳米线复合膜【Adv. Mater. Technol. 3, 1800030, 2018】、以及大面积镶嵌转印PEDOT:PSS导电膜【Adv. Electron. Mater. 3, 1600471, 2017】的导电性和拉伸性的增强机理及应变效应。

四)高导电稳定型PEDOT:PSS电极的掺杂机理研究

首次提出了层层纵深掺杂方法【Solar RRL, 4, 1900543, 2020】, 有效抑制PEDOT:PSS薄膜的过度团聚, 并大幅去除聚合物薄膜内部易吸湿膨胀的磺酸盐成分, 显著改善薄膜的相分离形貌, 实现了全溶液全空气加工的OPV效率>11%。从掺杂程度、掺杂薄膜三维纵深成分、团聚形貌、电化学行为等角度, 开始探讨稳定型掺杂薄膜电极的形成机制及对器件寿命的影响。

基于多年的PEDOT:PSS研究经历及对掺杂PEDOT:PSS导电材料的研究兴趣, 以PEDOT:PSS for flexible and stretchable electronics: modifications, strategies and applications为题攥写综述。主要围绕PEDOT:PSS薄膜的掺杂改性, 阐述薄膜电极的导电性、可拉伸性和稳定性提升的机制, 详细总结了PEDOT:PSS在柔性有机/钙钛矿光伏、晶体管、生物传感器、应变传感器等领域的前沿进展, 并提出了新的挑战和展望【ESI热点论文Adv. Sci. 6, 1900813, 2019】。

五)高导电和高功函数的PEDOT:PSS电极的掺杂研究

提出了高极性卤素强酸掺杂, 开展高效率柔性光伏器件的构筑及稳定性研究, 实现了柔性有机电池效率>16%【JMCA热点论文J. Mater. Chem. A, 8, 21007, 2020; Nano-Micro Letters, 13, 44, 2021】。利用掺杂分子的高极性和强质子化能力, 增强Ca═Cb振动;发展了极低浓度掺杂方法, 同时提高了薄膜电极的浸润性、载流子浓度和载流子迁移率, 开始探讨高导电高功函数掺杂薄膜电极的形成机制及对器件寿命的影响。提出了全无退火溶液加工的概念, 并在软聚乙烯衬底(厚度仅为24微米)上制备了全无退火溶液加工的高柔性OPV器件。无退火的柔性器件具有14.66%的效率、6.33W g1的单位重量输出功率、以及高的柔性【JMCA热点论文J. Mater. Chem. A 2021, DOI:10.1039/D0TA11831A】。

相关工作在线发表在Adv. Funct.Mater. (DOI:10.1002/adfm.202009399)上。