柔性電子領(lǐng)域快速發(fā)展,在生物/醫(yī)療傳感及通訊、可穿戴電子設(shè)備等新興領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。相應(yīng)地,對(duì)于與之相匹配的柔性、可拉伸形變的能源供給器件有重要需求。有機(jī)光伏電池依托有機(jī)高分子活性層,與晶體硅、碲化鎘薄膜等半導(dǎo)體相比,在機(jī)械柔性方面有先天優(yōu)勢(shì)。然而,超薄有機(jī)太陽(yáng)能電池在微米彎曲半徑下的連續(xù)變形循環(huán)過(guò)程中的機(jī)械耐久性仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。為了得到機(jī)械性能穩(wěn)定的超薄有機(jī)太陽(yáng)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(yōu)異的機(jī)械性能。

最近,華中科技大學(xué)光電國(guó)家研究中心周印華教授課題組,開發(fā)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(fā),通過(guò)采用鋅離子進(jìn)行配位,獲得了光電性能、機(jī)械性能均優(yōu)的電子傳輸層PEI-Zn。基于此界面層材料,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(shí)現(xiàn)了效率為12.3%和15.0%的,整體厚度小于2微米的超薄有機(jī)太陽(yáng)能電池。

華中科技大學(xué)周印華教授《自然·通訊》:聚合物-金屬絡(luò)合的陰極界面材料助力超柔有機(jī)太陽(yáng)能電池
圖(a)超薄有機(jī)太陽(yáng)能電池的器件結(jié)構(gòu)和實(shí)物圖;圖(b)超薄有機(jī)太陽(yáng)能電池在PEDOT:PSS和AgNWs電極上的器件性能

 

該團(tuán)隊(duì)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(fā)生反應(yīng)的。而鋅離子的配位,使PEI上胺基電子發(fā)生轉(zhuǎn)移,減弱了PEI 的界面反應(yīng)活性,抑制了PEI與非富勒烯活性層的反應(yīng)。通過(guò)調(diào)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(dāng)Zn-N原子比超過(guò)4:1時(shí),有機(jī)太陽(yáng)能電池器件表現(xiàn)出優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換性能。另外,PEI-Zn繼承了聚合物PEI機(jī)械性能優(yōu)異的特點(diǎn),與傳統(tǒng)的電子傳輸層ZnO相比,PEI-Zn能承受的最大彎曲應(yīng)變是ZnO的兩倍。彎曲測(cè)試中可見(jiàn)ZnO表面的裂紋,而PEI-Zn表面則完好。

華中科技大學(xué)周印華教授《自然·通訊》:聚合物-金屬絡(luò)合的陰極界面材料助力超柔有機(jī)太陽(yáng)能電池
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(yīng);圖(c)不同比列的PEI-Zn的XPS;圖(d)PEI-Zn與ZnO的機(jī)械性能比較。

 

在實(shí)現(xiàn)的超薄有太陽(yáng)能電池后,該團(tuán)隊(duì)通過(guò)與預(yù)拉伸的彈性體相結(jié)合,測(cè)試了超薄器件的機(jī)械性能。研究發(fā)現(xiàn),與ZnO相比,PEI-Zn作為電子傳輸層時(shí),在不同的電極體系(ITO、AgNWs和PEDOT:PSS)都表現(xiàn)出了更優(yōu)的機(jī)械性能,這也主要得益于它本身良好的機(jī)械耐受性。當(dāng)聚合物PEDOT:PSS作為電極時(shí),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(xiàn)了優(yōu)異的機(jī)械性能。最后,該團(tuán)隊(duì)將超薄器件貼附在手指關(guān)節(jié),在手指彎曲伸展過(guò)程中顯示出可逆的電流輸出。

華中科技大學(xué)周印華教授《自然·通訊》:聚合物-金屬絡(luò)合的陰極界面材料助力超柔有機(jī)太陽(yáng)能電池
超薄器件的機(jī)械循環(huán)性能(a)ITO電極;(b)AgNWs電極;(c)PEDOT:PSS電極;(d)超薄器件在手指關(guān)節(jié)的展示。

 

該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步介紹,PEI-Zn材料同時(shí)具備優(yōu)異的光電性能、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)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(lǐng)域有重要意義。

相關(guān)工作以“Robustmetal ion-chelated polymer interfacial layer for ultraflexible non-fullereneorganic solar cells”為題發(fā)表在自然·通訊(Nature Communication, 2020,11, 4508.?)。華中科技大學(xué)光電國(guó)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(xué)周印華教授,論文合作者包括中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所候劍輝研究員,以及日本東京大學(xué)的Takao Someya教授和日本理化所的Kenjiro Fukuda研究員。

 

全文鏈接:

https://doi.org/10.1038/s41467-020-18373-0

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