香港理工李刚教授团队《AFM》：面向室内/室外应用的高效柔性可拉伸有机光伏器件

点击上方“蓝字” 一键订阅

近年来，随着物联网（IoT）的飞速发展，柔性可穿戴光伏器件日益受到人们的关注。其中，有机光伏(OPV)由于其低成本、质轻、易于大面积湿法加工等优势，具有广阔的发展前景。然而，基于无氧化铟锡(ITO)的柔性有机光伏器件的能量转换效率（PCE）一直落后于基于ITO的刚性及微柔性器件。广泛报道的柔性有机光伏绝大部分都是基于聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚酰亚胺(PI)等塑料衬底，其较低的透过率，以及拉伸性的缺失在很大程度上阻碍了可穿戴器件的实际应用。此外，柔性光伏器件在室内光照下的应用也罕有报道。不同于太阳光，室内光源有光照强度弱，光源发散等问题。因此，如何高效地利用太阳光和室内光进行光伏发电是一个非常重要的问题。

基于这些存在的问题，李刚教授领导的香港理工大学先进材料与电子实验室(AME Lab)开发了一种全新的基于可拉伸、本征减反衬底的高效柔性有机光伏器件。研究者通过一种简单有效的减反衬底制备方法，利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)复形了商业化3M砂纸的不同表面纹理。相比于刚性玻璃衬底，PDMS衬底在全波段的光透过率更高；纹理化处理(高雾度)不仅进一步降低其反射率，更长的光程也有利于入射光被活性层材料更高效的吸收。通过进一步制备基于PDMS/PEDOT:PSS电极的有机光伏器件后研究者发现，基于6000目砂纸纹理复形PDMS衬底的柔性器件表现出最高的光电转化效率(15.3%)。另外，顶电极通过密接PDMS封装处理后形成的三明治结构使得柔性光伏器件在1000次连续弯折(半径1.5cm) 和200次拉伸(8%-10%)后，仍能保持>83%和>62%的初始PCE值。

图1a. 器件结构及制备过程；b. 不同衬底的光学透过率；c. 不同衬底的反射率；d. 基于不同衬底的器件的1-太阳光下J-V曲线

作者进一步探究了柔性器件在室内光下的应用。通过对比和分析刚性ITO器件和柔性PEDOT电极器件后，发现在强光下，基于PEDOT:PSS电极的有机光伏器件的填充因子(FF)比刚性ITO器件的低；而在弱光下，两者表现出几乎一致的FF值。尽管PEDOT:PSS电极的导电率不如ITO，在室内弱光下，其低电极导电率引起的高串联电阻对于器件效率的影响变得很小。受益于高EQE和高并联电阻，基与PDMS/PEDOT:PSS的柔性可拉伸器件表现出和刚性ITO器件不相上下的PCE(20.5% vs. 20.8%)。此外，考虑到室内照明光源如LED灯发光的发散特性，当入射光不垂直于基底时，基于刚性ITO玻璃的光伏器件表现出明显的效率下降。而基于纹理化PDMS/PEDOT:PSS的器件则出对于的入射光的角度不敏感。尤其是在极端入射角条件下(80°)，柔性器件表现出高于刚性器件接近2.5倍的PCE。因此，在室内条件下，该柔性器件能够获得更高的光利用率， 对面向未来室内光能再利用及IOT应用等的光伏电池研究有指导意义。

图2a. 刚性、柔性器件在弱光下的J-V曲线；b. FF随着光强变化趋势；c. 刚性、柔性器件在不同角度入射光下的效率变化

该工作以Stretchable ITO-Free Organic Solar Cells with Intrinsic Anti-Reflection Substrate for High-Efficiency Outdoor and Indoor Energy Harvesting为题发表在Advanced Functional Material（DOI: 10.1002/adfm.202010172）上。第一作者是香港理工大学电子及资讯工程学系博士生黄佳明，通讯作者为李刚教授，现为港理工钟士元爵士可再生能源教授。本研究受到香港研究资助局（PolyU 15320216, 15218517, C5037-18G）、国家自然科学基金（51961165102）深圳市科技创新委员会（JCYJ 20170413154602102）、香港理工大学（1-ZE29，1-BBAS，钟士元爵士冠名基金）的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202010172

相关进展

更柔、更耐用--使用新型弹性体实现可拉伸、抗撕裂、稳定并可自修复的有机柔性半导体

高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

诚邀投稿

欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至[e-mail]，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。

欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。

申请入群，请先加审核微信号PolymerChina （或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。

点

这里“阅读原文”，查看更多