中科院苏州纳米所骆群副研究员和马昌期研究员在薄膜光伏界面材料方面取得研究进展
有机薄膜电池因具有高效、低成本、轻柔、可采用全溶液法制备等优点，引起了国内外研究学者的广泛关注。目前电池的光电转换效率取得了巨大发展，展现出产业化的开发前景。要实现有机光伏的产业化和商业化，必须发展低成本、连续卷轴印刷工艺。对于印刷薄膜光伏而言，可印刷界面材料是实现高效印刷光伏的关键材料之一。
在有机太阳能电池中常用的溶液法界面材料为金属氧化物纳米材料和聚合物/小分子类有机界面层材料。这两类界面材料在实际应用中都存在着优缺点，比如金属氧化物纳米材料表面缺陷多，容易聚集；有机类界面材料厚度控制严格，且最有优厚度在10 nm以内，不适合于印刷法制备。
中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所骆群副研究员和马昌期研究员开发了基于金属氧化物纳米颗粒和聚合物的纳米复合界面材料，系统研究了空穴传输型以及电子传输型复合材料的结构组成、物化特性、光电性质等。结果表明该类复合材料具有优异的成膜性能和光电特性。将金属氧化物纳米材料与聚合物进行复合，一方面可以缓解金属氧化物纳米材料的团聚现象；另一方面避免了聚合物材料由于导电性原因在薄膜厚度方面的限制。该类材料用于有机和钙钛矿薄膜电池中，可降低器件性能与界面层厚度之间的依赖性，这将有助于降低印刷工艺的难度，提高工艺的重复性和电池良品率。相关工作结果发表于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.
图1 MoO3:PEDOT:PSS复合材料形成的核壳结构,复合材料中纳米颗粒的团聚得到改善
由于复合界面材料良好的成膜性、可印刷性能和导电性能，该研究团队进一步将这类材料用于全涂布有机太阳能电池中，发现印刷纳米银线网络在该类界面层上表现出更均匀的分布（图2）。基于这一特性，该研究团队结合涂布的界面层和喷涂的纳米银线电极，制备了高性能的半透明全涂布有机太阳能电池，验证了全溶液法制备高效半透明有机薄膜光伏电池的可行性。相关结果发表于ACS. Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 943-954。
图2 纳米银线在PMA, PEDOT:PSS,以及PMA:PEDOT:PSS复合界面层上的分布，以及全涂布半透明有机太阳能电池的照片以及透过率曲线图
最近，针对印刷薄膜应用要求界面材料墨水具有长时间的稳定性以及低的厚度依赖性，该研究团队提出了金属氧化物纳米材料的表面化学接枝修饰的新思路，将具有化学功能的表面接枝单元直接修饰在纳米金属氧化物表面，从而提高了有机-无机复合纳米材料的化学稳定性能以及功能可修饰性能。该工作选择了氧化锌为研究对象，选用硅烷偶联剂对其进行修饰。溶液方法合成的氧化锌纳米颗粒表面含有大量的羟基，易于导致纳米材料的团聚，以及吸附大量氧，从而引起墨水稳定性不理想，以及器件界面电荷累积。该研究团队通过表面羟基与硅氧烷基的配体交换，获得一类基于硅烷偶联剂修饰的氧化锌纳米材料（图3）。该材料用于有机倒置结构太阳能电池中，抑制了常见的“光浴”现象。该类墨水可以在大气环境下保存至少1年以上，纳米颗粒不出现明显聚集；使用保存一年的墨水制备界面材料，也可以获得优异的器件性能，为开发具有高稳定性的可印刷纳米墨水材料提供了新的思路。该研究结果最近发表于ACS Nano, 2018, 12, 5518-5529。
图3 硅烷偶联剂修饰的氧化锌具有优异的墨水稳定性
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.7b13346
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b01178
来源：中科院苏州纳米所
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