银纳米线半嵌入聚酰亚胺复合电极在有机太阳能电池中的应用

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有机太阳能电池(Organic solar cells,OSCs)具有质轻、柔性、低成本、溶液加工等特点,是目前的热点研究领域。其中以超薄透明聚合物(厚度<10μm)为基底的超柔OSCs使轻和柔的特点更加突出,适用于刚性器件难以胜任的应用场景,尤其是作为柔性电子系统的供能设备,在可穿戴设备、健康监测、柔性机器人及便携电源方面具有重大应用潜能。然而,迄今为止,超柔OSCs的光电转换效率依然落后于刚性电池器件,高性能柔性基底与柔性电极的匮乏是限制性能提升的关键。聚酰亚胺(Polyimide,PI)兼具优异的机械性能、热稳定性、透光性、化学稳定性和低表面粗糙度等多种优点,是柔性基底的理想选择。在柔性电极选择方面,银纳米线(Silver nanowires,AgNWs)具有较高的透光率、导电性以及柔性,并且制备方法简单,兼容柔性太阳能电池的各种溶液加工方法,被认为是替代氧化铟锡(Indium Tin Oxide,ITO),制备高性能柔性电极的最佳选择。然而,将AgNWs直接分散在聚合物基底上所得的复合电极粗糙度高、界面粘附性弱、热稳定性和空气(如氧化和硫化)稳定性差,限制了其在超柔有机太阳能电池领域的应用。针对以上问题,本论文采用将AgNWs半嵌入PI的策略,得到兼具低表面粗糙度,高透光率、热稳定性以及力学稳定性的超薄柔性透明复合电极,并构筑超柔OSCs。主要研究成果如下:(1)将AgNWs半嵌入无色透明聚酰亚胺(Colorless polyimide,CPI)基底中,开发了一种高性能超薄AgNWs@CPI透明复合电极,应用于高效超柔OSCs中。首先,成功合成了一系列不同分子量(35.9 kDa至177.5kDa)的CPIs,并对其光学、机械和热性能进行了详细研究。其次,制备得到兼具优异电导率、透光率、表面粗糙度、热稳定性和机械稳定性的超薄AgNWs@CPI透明复合电极(厚度~9μm)。同时,研究了CPI各分子量区域能够耐受后续器件溶液制备过程的临界基底厚度。最后,构筑了基于AgNWs@CPI复合电极的超柔OSCs,其光电转换效率达到14.37%,并且具有优异的柔性和机械弯折稳定性,在0.5 mm半径下弯折4000次,PCE仍可保持初始值的93%以上。(2)通过构筑强氢键得到物理交联的聚酰亚胺,以提高材料的力学、热学以及耐溶剂性能,并且具有过滤紫外光的性能。结合半嵌入法得到超薄复合电极,成功制备了机械弯折稳定及紫外光辐照稳定的超柔有机太阳能电池。首先,在聚酰亚胺结构设计中引入羟基和苯并咪唑单元,合成含氢键的聚酰亚胺(Hydrogen-bonded polyimide,HB-PI),HB-PI薄膜的机械性能和耐溶剂性都得到显著提升。并且薄膜的截止波长达到376 nm,可过滤掉95%紫外光。其次,采用AgNWs半嵌入柔性基底的策略,得到超薄复合电极(AgNWs@HB-PI,厚度约7μm)。最后,基于AgNWs@HBPI复合电极制备超柔OSCs,其光电转换效率达到13.53%。紫外光下持续光照180 min后,超柔OSCs的效率基本不变,而刚性器件下降了12%,该结果表明AgNWs@HB-PI复合电极能有效过滤紫外光,提升器件的紫外光辐照稳定性。
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