在有機太陽能電池中常用的溶液法界面材料為金屬氧化物納米材料和聚合物/小分子類有機界面層材料. 這兩類界面材料在實際應用中都存在著優缺點, 比如金屬氧化物納米材料表面缺陷多, 容易聚集; 有機類界面材料厚度控制嚴格, 且最優厚度在10 nm以內, 不適合於印刷法製備. 針對這些問題, 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所副研究員駱群和研究員馬昌期開發了基於金屬氧化物納米顆粒和聚合物的納米複合界面材料, 系統研究了空穴傳輸型以及電子傳輸型複合材料的結構組成, 物化特性, 光電性質等. 結果表明該類複合材料具有優異的成膜性能和光電特性. 將金屬氧化物納米材料與聚合物進行複合, 一方面可以緩解金屬氧化物納米材料的團聚現象; 另一方面避免了聚合物材料由於導電性原因在薄膜厚度方面的限制. 該類材料用於有機和鈣鈦礦薄膜電池中, 可降低器件性能與界面層厚度之間的依賴性, 這將有助於降低印刷工藝的難度, 提高工藝的重複性和電池良品率. 相關工作結果發表於ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 7170-7179; Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2015, 141, 248-259; ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 18410-18417; Org. Electron. 2016, 38, 150-157; Org. Electron. 2017, 45,190-197.
由於複合界面材料良好的成膜性, 可印刷性能和導電性能, 該研究團隊進一步將這類材料用於全塗布有機太陽能電池中, 發現印刷納米銀線網路在該類界面層上表現出更均勻的分布 (圖2) . 基於這一特性, 該研究團隊結合塗布的界面層和噴塗的納米銀線電極, 製備了高性能的半透明全塗布有機太陽能電池, 驗證了全溶液法製備高效半透明有機薄膜光伏電池的可行性. 相關結果發表於ACS. Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 943-954.
最近, 針對印刷薄膜應用要求界面材料墨水具有長時間的穩定性以及低的厚度依賴性, 該研究團隊提出了金屬氧化物納米材料的表面化學接枝修飾的新思路, 將具有化學功能的表面接枝單元直接修飾在納米金屬氧化物表面, 從而提高了有機-無機複合納米材料的化學穩定性能以及功能可修飾性能. 該工作選擇了氧化鋅為研究對象, 選用矽烷偶聯劑對其進行修飾. 溶液方法合成的氧化鋅納米顆粒表面含有大量的羥基, 易於導致納米材料的團聚, 以及吸附大量氧, 從而引起墨水穩定性不理想, 以及器件界面電荷累積. 該研究團隊通過表面羥基與矽氧烷基的配體交換, 獲得一類基於矽烷偶聯劑修飾的氧化鋅納米材料 (圖3) . 該材料用於有機倒置結構太陽能電池中, 抑制了常見的 '光浴' 現象. 該類墨水可以在大氣環境下保存至少1年以上, 納米顆粒不出現明顯聚集; 使用保存一年的墨水製備界面材料, 也可以獲得優異的器件性能, 為開發具有高穩定性的可印刷納米墨水材料提供了新的思路. 該研究結果最近發表於ACS Nano, 2018, 12, 5518-5529.
上述研究工作得到國家自然科學基金 (51773224, 61306073) , 中科院先導專項 (No. XDA09020201)以及江蘇省科技廳產業前瞻與共性技術項目 (BE2015071) 等的經費支援; 同時得到了合作單位中國科學技術大學蘇州納米學院和中南大學物理與微電子學院教授陽軍亮團隊的支援.