有机太阳能电池中柔性电极的研究

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有机太阳能电池(OSCs)因具有原材料来源广泛,制备难度较低,生产成本低廉以及可柔性化等特点,在可穿戴设备、柔性数码产品等行业具有巨大发展潜力。在柔性OSCs中,柔性透明电极直接决定了器件的能量转换效率(PCE)和抗弯曲性能。因此,为了获得高效的柔性OSCs,柔性电极在具备良好的透光性和耐弯折性的同时,还需具有较高的电荷收集能力。目前,铟锡氧化物(ITO)电极是使用最为广泛的电极材料,但其脆度较高,并不适于发展柔性器件。因此,具有高透射、低电阻、高抗弯曲性等优异性能的柔性电极亟待开发。此外,受活性层吸光范围和厚度的制约,OSCs对入射光的利用率尚不理想。针对此OSCs效率提升中的难点,有必要发展基于柔性透明电极的光调控策略以增加器件的入射光利用率。综上考虑,本工作采用薄膜接触转移法,制备了一种具有嵌入式结构的银纳米线(AgNWs)柔性透明电极,并在电极基底内部引入具有光调控作用的微纳结构,从而发展了具有光调控效果的高透射、低电阻、高抗弯曲性的柔性透明电极制备策略,最终实现了高效柔性OSCs器件的制备。本文的工作主要分为以下三个部分:(1)传统的AgNWs电极结构为AgNWs分布在电极基底之上,AgNWs起伏大,电极表面粗糙度高。而在本工作中,我们通过薄膜接触转移法制备了一种新型透明柔性银线电极,该电极的AgNWs内嵌在电极的聚酰亚胺(PI)基底中。此结构使电极表面平整度得到极大提升,粗糙度仅为3 nm。此举解决了基于传统AgNWs电极的OSCs器件中易漏电、易短路的难题。同时,我们创新性地在AgNWs网络上沉积了 ZnO介质层,有效避免了电极中AgNWs在PI的高温制备过程中的熔断和团聚,获得了方阻低至25.3Ω□-1的AgNWs柔性透明电极。同时,ZnO介质层的引入增强了 AgNWs与基底材料之间的连接,可有效分散电极在弯曲状态下的拉应力,大幅增强了 AgNWs电极的耐弯折性。(2)针对OSCs对入射光的利用率不足的问题,我们通过理论计算模拟,选取了直径为1 μm的聚苯乙烯(PS)微球为光调控介质以增强AgNWs柔性电极对入射光的调制,制备出了具有高达43%雾度的透明柔性AgNWs电极,获得了强入射光散射能力,可有效提升入射光在活性层内的有效光程。该电极同样展示出了优异的导电性,其方阻仅为24.4Ω□-1。同时,PS微球的引入并未影响入射光的透射,所制备柔性电极的总透射率可达88.18%。(3)为了实现柔性OSCs效率的突破,我们将具有光调控作用的高雾度柔性AgNWs电极应用在PM6:N3:PC71BM体系的OSCs器件中。表征结果显示,OSCs对入射光的利用率大幅提升,短路电流密度(JSC)和PCE得到明显提升,分别达到24.96mA cm-2和16.11%,与同体系的ITO电极刚性器件的性能相差无几,大幅缩短了柔性OSCs与刚性OSCs效率的差距。此外,电极良好的耐弯折性也确保了柔性OSCs优异的机械性能,器件在5000次弯曲半径为1 mm的弯折后依然保持86%的原始效率。总之,本文所展示的AgNWs柔性电极制备简易、性能优越,可有效提升柔性OSCs的器件效率和抗弯曲能力,有助柔性太阳能电池的商业化发展。此外,该柔性透明电极的设计与制备策略为柔性光探测器、柔性发光二极管等光电子器件中柔性电极的设计提供了新思路。
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