历经蹂躏，性能依然强劲的超柔性有机太阳能电池，影响千亿级可穿戴市场！
【成果简介】
相比于传统硅晶太阳能电池，有机太阳能电池具有质量轻、柔软、成本低廉等优点，可被广泛应用于可穿戴设备和集成光伏发电。衡量柔性有机太阳能电池的关键指标是其能量转换效率和机械稳定性。近年来，随着非富勒烯受体材料的快速发展，已经成功将基于玻璃衬底的有机太阳能电池能量效率提高到16%以上。但是在柔性衬底上制备的太阳能电池转换效率始终低于传统硬性太阳能电池转换效率。因此如何进一步提升柔性有机太阳能电池的转换效率和机械稳定性是其商业化道路上急需解决的问题。
近日，日本东京大学、日本理化学研究所Takao Someya团队在超薄的聚对二甲苯衬底底上成功制备出3微米厚的有机太阳能电池，使用将超柔性器件转移至预拉伸弹性体上的方法实现可拉伸性。通过引入第三组分实现对非富勒烯电子受体结晶性的调控，从而同时提高激子解离效率和活性层薄膜的延展性，成功制备出能量转化效率高达13%的超柔性有机太阳能电池（日本电气安全环境研究所（JET）认证效率为12.3%）。该太阳能电池在1000次压缩-拉伸循环测试后器件性能衰减仅为11%，在1000次弯曲循环测试后（5mm弯曲半径）器件性能衰减仅为3%。研究成果发表在Cell Press旗下的能源器件期刊《焦耳》（Joule）上，论文题目为“Efficient and MechanicallyRobust Ultraflexible Organic Solar Cells Based on Mixed Acceptors”，该研究为同时提高器件能量转换效率和机械性能提供了一种全新的思路，对柔性或者可拉伸有机太阳能电池的进一步发展有重要意义。黄文超博士和江智为共同第一作者，Kenjiro Fukuda研究员和Takao Someya教授为共同通讯作者。
【图文导读】
图一：3微米超柔性有机太阳能电池。a）分子结构式；b）能级图；c）紫外可见吸收光谱；d）器件结构示意图；e）光学照片；f）电流密度-电压（J-V）特性曲线。
该研究选用PBDTTT-OFT:IEICO-4F:PC71BM三元组份活性层，在1微米的聚对二甲苯衬底上成功制备出能量转换效率高达13%的超柔性有机太阳能电池，整个器件制备完成后用1微米的聚对二甲苯对其进行封装，整个器件厚度小于3微米。科研人员发现通过在宽带系聚合物给体PBDTTT-OFT和窄带隙聚合物受体IEICO-4F二元体系中引入第三组分PC71BM能够促进聚合物给体PBDTTT-OFT中产生的激子分离，提高电荷传输效率，减小载流子复合（图三）。因此，基于PBDTTT-OFT:IEICO-4F:PC71BM三元体系超柔性太阳能器件，相对于PBDTTT-OFT:IEICO-4F二元体系器件，具有更高的Jsc、Voc、FF和能量转换效率。
图二：太阳能电池器件物理。a）外量子效率曲线(EQE)；b）不同光照强度下短路电流；c）不同光照强度下开路电压；d）瞬态光电流(TPC)；e）瞬态光电压(TPC)。
研究者进一步探究了第三组分PC71BM对PBDTTT-OFT：IEICO-4F薄膜形貌的影响 （图三）。从AFM结果可以得到三元共混膜具有更小的相分离和表面粗糙度。GIWAXS结果表明在二元和三元共混膜中聚合物给体PBDTTT-OFT和非富勒烯受体IEICO-4F都呈现face-on取向，有利于活性层中载流子的有效传输。在引入第三组分PC71BM后，非富勒烯受体IEICO-4F结晶受到抑制，提高给受体之间的混合程度，使得激子分离效率更高。与此同时，更多无定形态IEICO-4F的形成有助于提高活性层薄膜的延展性，从而使超柔性太阳能电池获得更优异的机械性能。尽管非富勒烯受体结晶度的降低会影响电子传输性能，但由于新引入的第三组份富勒烯受体具有较高的电子迁移率，很好的弥补了这一不足。通过SCLC测试发现，三组分器件反而具有更高的电子迁移率。
图三：太阳能电池中活性层形貌表征。a）PBDTTT-OFT:IEICO-4F和b）PBDTTT-OFT:IEICO-4F:PC71BM薄膜的原子力显微镜图像；c）PBDTTT-OFT:IEICO-4F和d）PBDTTT-OFT:IEICO-4F:PC71BM薄膜的二维 GIWAXS图像；e）PBDTTT-OFT:IEICO-4F和g）PBDTTT-OFT:IEICO-4F:PC71BM薄膜GIWAXS在面外方向的一维X射线衍射图谱；f）PBDTTT-OFT:IEICO-4F和h）PBDTTT-OFT:IEICO-4F:PC71BM薄膜GIWAXS在面内方向的一维X射线衍射图谱；i）PBDTTT-OFT:IEICO-4F和j）PBDTTT-OFT:IEICO-4F:PC71BM薄膜上表面X射线近边吸收精细结构。
该工作系统的研究了超柔性有机太阳能电池的机械稳定性。通过预拉伸转移—预应力释放—弯曲褶皱的方法实现了超柔性太阳能电池的可拉伸性。在将电池从0%压缩到45%的过程中，电池的Voc和FF没有太大的变化，能量转换效率的降低主要是由于有效光照面积的减少。在1000次压缩-拉伸循环后，该电池保留了其初始效率的89%。同时，也对该超柔性太阳能电池的弯曲性进行了测试，在1000次连续弯曲（弯曲半径为5 mm）的测试后，该电池保留了初始效率的97%。研究者也成功制备了有效面积为1 cm2的大面积超柔性有机太阳能电池，其能量转换效率为11.6%。
图四：超柔性有机太阳能电池器件力学稳定性。a）超柔性有机太阳能压缩-拉伸过程中的光学照片。b）在压缩过程中器件电流密度-电压（J-V）特性曲线；c）在1000次压缩-拉伸循环试验过程中小面积（0.04 cm2）超柔性有机太阳能电池效率衰减；d）弯曲试验示意图和光学照片；e）在1000次弯曲循环试验过程中小面积（0.04 cm2）超柔性有机太阳能电池效率衰减；f）大面积（1 cm2）超柔性有机太阳能电池电流密度-电压（J-V）特性曲线；g）在1000次压缩-拉伸循环试验过程中小面积（1 cm2）超柔性有机太阳能电池效率衰减。
团队介绍
黄文超：于2016年在澳大利亚莫纳什大学获得材料工程与科学博士学位。博士毕业后先后在美国加州大学洛杉矶分校Yang Yang教授课题组，日本东京大学Takao Someya教授课题组从事博士后研究。2018年受到ACAP fellowship资助，重新返回莫纳什大学开展独立研究工作。主要从事有机半导体材料、薄膜太阳能电池和柔性及可拉伸电子器件方面等方面的研究。先后以第一作者在能源和材料领域的顶级刊物如Joule、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Nano Lett.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.等期刊上发表多篇文章，曾获得国家优秀自费留学生奖金，澳大利亚同步辐射中心Stephen Wilkins Medal等奖项。
江智：2017年1月毕业于哈尔滨工业大学材料学院，获工学硕士学位；2017年4月至今，于东京大学电气与电子工程系攻读博士学位，并于日本理化学研究所担任初级研究助理，主要研究领域为金属纳米材料，柔性/可拉伸电子器件以及印刷电子器件。迄今发表SCI论文多篇，其中影响因子大于10的论文7篇，包括1篇Nature，1篇Energy & Environmental Science，2篇Advanced Materials，2篇Advanced Functional Materials，1篇Nano Letters，合作申请专利两项。
Takao Someya （染谷隆夫）：于1997年在东京大学获得了电子工程系博士学位。2001至2003年间，他曾在哥伦比亚大学的纳米中心（NSEC），Bell实验室和朗讯科技公司担任访问学者。自2009年开始，他分别担任东京大学电气与电子工程系教授和普林斯顿大学的全球学者。主要研究包括有机柔性及可拉伸电子，有机集成电路，大面积传感器等。其团队已经成功开发出世界上最轻、最薄的柔性集成电路，发光器件和有机太阳能电池，并在可穿戴电子产品中实现应用。他和他的研究团队在Nature、Science、Nat. Mater.、Nat. Nanotech.、Nat. Biotech.、Nat. Energy、PNAS、Nat. Comm.、Sci. Adv. 知名期刊上共计发表高水平学术论文数十篇，累计引用次数超过31000，h因子达76。