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李耀文教授《JACS》:柔性有机太阳能电池领域取得新进展

来源:高分子科学前沿|

发表时间:2022-04-27

点击:9636

近日,《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society)以“Realizing 17.5% Efficiency Flexible Organic Solar Cellsvia Atomic-Level Chemical Welding of Silver Nanowire Electrodes”为题(DOI:10.1021/jacs.2c01503),在线报道了苏州大学李耀文教授在可印刷银纳米线柔性透明电极(FTE)可控生长及高效柔性有机太阳能电池(FOSCs)构筑取得的重要研究进展。


近年来,FOSCs因其质量轻、可溶液加工、具有可弯曲性等优点引起了科研工作者的广泛关注,并获得了飞速发展。然而,FOSCs的效率较基于玻璃基底制备的刚性电池仍有较大差距,主要原因是基于塑料基底制备的柔性透明电极在面电阻、透过率及可加工性等方面受到了局限。银纳米线(AgNWs)作为新一代高导电率、高透过率、耐弯折的材料已被广泛的应用于柔性电子设备的柔性电极中。但是由于溶液加工的AgNWs之间较差的接触以及与基底之间较弱的粘附力,使得FTE通常表现出较高的粗糙度和较差的导电及机械性能,严重影响了FOSCs的器件性能。基于此,苏州大学李耀文教授等人针对上述问题,提出了“可控还原—化学焊接”策略,通过向银纳米线溶液中引入具有还原性的离子液体(图1a)和硝酸银并与嵌有银纳米线(Em-Ag)的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底相结合,使被还原的银以孪晶生长方式焊接在AgNWs的结点,实现AgNWs和还原银之间原子级接触。这有助于在不牺牲光学透过率的情况下增强AgNWs的物理/电学接触,提高FTE的机械性能和导电性能。基于该FTE制备的FOSCs实现了效率的大幅度提升,以PM6:BTP-eC9:PC71BM为活性层的小面积器件(0.062 cm2)效率达到了17.52%。重要的是,这种FTE的制备方法适用于大尺寸印刷,采用刮涂方法制备的1 cm2 FOSCs的PCE高达15.82%


图1. (a)离子液体的结构式;(b-c)不同反应时间析出物的照片和XRD谱图,其中*和#分别为AgCl和Ag的特征峰;(d) PET/Em-Ag/AgNWs-IL FTE的SEM图像:白色框表示部分嵌入在PET衬底上的AgNWs,黄色框表示在AgNWs的结点处形成的颗粒。


图2 (a)AgNWs结点FIB切割过程示意图;(b)AgNW结点的透射电镜剖面图和(c)EDS图谱;(d)图2b中标记区域1的透射电镜截面放大图像;(e)左:图2b中标记区域2的透射电镜截面放大图像;右:所选区域的HR-TEM图像。


图3.(a)制备AgNWs FTE流程示意图;(b)Em-Ag/AgNWs-IL FTE(不含衬底)在不同浓度离子液体时的方块电阻、电导率和(c)透过光谱。附图: FTE在10 cm × 10 cm尺度下的照片;(d)FTE的FoM值。


图4. (a)FOSCs结构示意图以及给体PM6与受体Y6、BTP-eC9和PC71BM的分子结构;(b)小面积FOSCs的J-V曲线;(c)大面积柔性透明电极透过率及面电阻均一性;(d)1cm2 FOSCs的J-V曲线;(e)FOSCs效率统计分布图。


图5.(a)PET/Em-Ag/AgNWs和PET/Em-Ag/AgNWs-ILFTE的方块电阻随弯曲次数增加的变化趋势。插图:弯曲试验示意图;(b)PET/Em-Ag/AgNWs和PET/Em-Ag/AgNWs-IL FTE在剥离力作用下方块电阻的变化。插图:剥离试验示意图;(c)0.062-cm2 FOSCs经过6000次弯曲之后的PCE衰减;(d)0.062-cm2 FOSCs在1200次不同弯曲半径下弯曲循环后的相对PCE衰减;(e)1-cm2 FOSCs经过6000次弯曲的PCE衰减过程。插图: FOSCs在弯曲时的照片。


综上所述,该工作在AgNWs结点实现了Ag+的可控还原,银纳米线与被还原银颗粒之间获得了原子级别的物理接触,在银纳米线间形成了“银纳米线—还原银—银纳米线”导电通道,制备的FTE同时具有高的电导率和透光率。相关研究工作对于推动高性能银纳米线电极的商业化有重要的意义,并有望进一步促进高性能、大面积柔性光电器件的发展。


该工作第一作者是苏州大学在读博士研究生曾光和博士后陈炜杰,通讯作者为李耀文教授。致谢苏州大学严锋教授胡寅博士研究生在离子液体材料方面提供的帮助。该研究成果得到了国家优秀青年科学基金(51922074)等项目的资助和支持。


封面图源自于图虫创意


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