有機太陽能電池具有質輕, 柔性, 成本低, 弱光響應等優點, 是當前太陽能電池技術的前沿熱點研究方向. 高效率﹑耐彎折和廉價的柔性有機太陽能電池在柔性可穿戴和攜帶型電子設備, 光伏建築一體化和軍事等領域具有很強的應用潛力. 目前, 大多數有機太陽能電池的研究結果都是基於剛性的氧化錫 (ITO) 玻璃基板. 但有機太陽能電池如果要實現商業化應用, 其真正的優勢是採用低成本的濕法印刷和卷對卷大面積工藝製造. 在有機太陽能電池中, 最常用的電極材料是銦摻雜的氧化錫 (ITO) . 然而, ITO在塑料基板上存在導電性差和機械脆性等問題, 而且ITO通常在高溫下通過真空濺射進行加工, 這使得其價格昂貴, 並且不利於採用大面積印刷和卷對捲來製備. 已經有一些報道採用新的電極材料來代替傳統ITO, 如納米銀線, 石墨烯, 碳納米管, 導電聚合物等, 其中聚 (3,4-亞乙基二氧噻吩) : 聚 (苯乙烯磺酸) (PEDOT:PSS) 薄膜的成本相對較低, 並且該薄膜表現出高光學和電學特性, 優異的熱穩定性, 良好的柔韌性等. 利用酸摻雜PEDOT:PSS可以大幅提高其導電率, 但目前報道的大多數採用強酸如硫酸, 硝酸等進行摻雜, 再進行高溫後處理, 容易損傷PET等柔性塑料基板.
近日, 中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員葛子義團隊在前期高效率有機太陽能電池研究的基礎上 (Nature Photonics, 2015, 9, 520; Advanced Materials, 2018, 30, 1703005; Macromolecules, 2018, DOI: 10.1021/acs.macromol.8b00683; Journal of Materials Chemistry A, 2018, 6, 464) , 在柔性有機太陽能電池領域又取得新進展, 創新性地開發了低溫酸處理PEDOT:PSS電極替代需要高溫濺射且昂貴的ITO電極. 通過低溫甲磺酸處理來提高PEDOT:PSS薄膜的導電性, 降低薄膜的粗糙度, 同時避免傳統的強酸處理對柔性塑料襯底的破壞. 進而利用全溶液加工技術, 採用PBDB-T和IT-M非富勒烯活性層, 製備了全濕法加工非ITO的單結柔性有機太陽能電池, 電池的能量轉換效率達到10.12%, 這是迄今報道的全濕法加工的柔性有機太陽能電池的最高效率. 而且這類全溶液加工的柔性有機太陽能電池非常符合卷對卷印刷和刮塗等大面積製備工藝的技術要求, 為有機太陽能電池低成本柔性化製備提供了重要的參考途徑. 該項工作以All Solution-Processed Metal Oxide-Free Flexible Organic Solar Cells with Over 10% Efficiency 為題發表在國際期刊《先進材料》 (Advanced Materials) 上. 葛子義和團隊成員樊細為該論文的共同通訊作者, 碩士生宋偉為第一作者.
上述研究得到了國家重點研發計劃 (2017YFE0106000和2016YFB0401000) , 國家自然科學基金 (51773212, 21574144和21674123) , 中科院前沿科學重點研究項目 (QYZDB-SSW-SYS030) , 中科院重點國際合作項目 (174433KYSB20160065) , 中科院交叉創新團隊, 浙江省傑出青年基金 (LR16B040002) 和寧波市科技創新團隊 (2015B11002, 2016B10005) 等資助.
圖: 柔性有機太陽能電池的結構示意圖和光伏特性曲線
