聚合物-金屬絡合的陰極界面材料助力超柔有機太陽能電池

華中科技大學周印華教授《自然·通訊》：聚合物-金屬絡合的陰極界面材料助力超柔有機太陽能電池

柔性電子領域快速發展，在生物/醫療傳感及通訊、可穿戴電子設備等新興領域應用前景廣闊。相應地，對於與之相匹配的柔性、可拉伸形變的能源供給器件有重要需求。有機光伏電池依託有機高分子活性層，與晶體矽、碲化鎘薄膜等半導體相比，在機械柔性方面有先天優勢。然而，超薄有機太陽能電池在微米彎曲半徑下的連續變形循環過程中的機械耐久性仍然是一個挑戰。為了得到機械性能穩定的超薄有機太陽能電池，需要器件各功能層包括電極、界面層和活性層都具有優異的機械性能。

最近，華中科技大學光電國家研究中心周印華教授課題組，開發了一種聚合物、金屬離子配位的陰極界面層。他們從聚合物陰極修飾材料聚乙烯亞胺（PEI）出發，通過採用鋅離子進行配位，獲得了光電性能、機械性能均優的電子傳輸層PEI-Zn。基於此界面層材料，在1.3微米的柔性基底PEN上，分別以PEDOT:PSS和AgNWs為底電極，以PBDB-T-2F:Y6為活性層，實現了效率為12.3%和15.0%的，整體厚度小於2微米的超薄有機太陽能電池。

圖（a）超薄有機太陽能電池的器件結構和實物圖；圖（b）超薄有機太陽能電池在PEDOT:PSS和AgNWs電極上的器件性能

該團隊前期的工作表明（Adv. Mater. 2019, 31, 1806616. J. Mater. Chem. A 2018, 6, 2273.），常用的聚合物界面層聚乙烯亞胺（PEI）或其乙氧基化衍生物PEIE易與非富勒烯受體發生反應的。而鋅離子的配位，使PEI上胺基電子發生轉移，減弱了PEI 的界面反應活性，抑制了PEI與非富勒烯活性層的反應。通過調控PEI與鋅離子的比例，作者獲得了適合多種非富勒烯活性層的PEI-Zn條件。當Zn-N原子比超過4:1時，有機太陽能電池器件表現出優異的光電轉換性能。另外，PEI-Zn繼承了聚合物PEI機械性能優異的特點，與傳統的電子傳輸層ZnO相比，PEI-Zn能承受的最大彎曲應變是ZnO的兩倍。彎曲測試中可見ZnO表面的裂紋，而PEI-Zn表面則完好。

圖（a）不同比例的PEI-Zn器件性能；圖（b）PEI-Zn和PEI與IT-4F溶液的反應；圖（c）不同比例的PEI-Zn的XPS；圖（d）PEI-Zn與ZnO的機械性能比較。

在實現的超薄有太陽能電池後，該團隊通過與預拉伸的彈性體相結合，測試了超薄器件的機械性能。研究發現，與ZnO相比，PEI-Zn作為電子傳輸層時，在不同的電極體系（ITO、AgNWs和PEDOT:PSS）都表現出了更優的機械性能，這也主要得益於它本身良好的機械耐受性。當聚合物PEDOT:PSS作為電極時，超薄器件在45%的皺縮形變下，彎曲100次，器件性能幾乎不變，展現了優異的機械性能。最後，該團隊將超薄器件貼附在手指關節，在手指彎曲伸展過程中顯示出可逆的電流輸出。

超薄器件的機械循環性能（a）ITO電極；（b）AgNWs電極；（c）PEDOT:PSS電極；（d）超薄器件在手指關節的展示。

該團隊進一步介紹，PEI-Zn材料同時具備優異的光電性能、化學穩定性和機械柔性，既能與多種印刷電極（包括AgNWs和PEDOT:PSS電極）相兼容，又能與非富勒烯活性層體系（PBDB-T-2F:IT-4F和PBDB-T-2F:Y6）相兼容，在柔性電子和印刷電子領域有重要意義。

相關工作以「Robustmetal ion-chelated polymer interfacial layer for ultraflexible non-fullereneorganic solar cells」為題發表在自然·通訊（Nature Communication, 2020,11, 4508. ）。華中科技大學光電國家研究中心的覃飛、王文、孫露露為論文的共同第一作者，通訊作者為華中科技大學周印華教授，論文合作者包括中國科學院化學研究所候劍輝研究員，以及日本東京大學的Takao Someya教授和日本理化所的Kenjiro Fukuda研究員。