基于可印刷银纳米线复合透明电极的柔性有机太阳能电池研究

来源 :中国科学技术大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:fenligood
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有机太阳能电池的突出优势在于其重量轻、柔性、可采用连续印刷方式规模制备。在过去的二十年中,有机太阳能电池的能量转化效率(PCE)从最初的低于1%提升到了 18%,显示出巨大的应用潜力。但是这些高性能器件大多是加工在小尺寸的氧化铟锡(ITO)玻璃上的器件,并不能很好的体现出有机太阳能电池可溶液加工以及柔性的特点。针对这一问题,研究人员开始较多地研究活性层的大面积加工工艺,利用刮涂法以及卷对卷加工法制备活性层的高效率的有机光伏器件已经有较多的报道。想要真正的实现其可溶液加工及柔性的特点,同样需要高质量、柔性、可印刷制备的透明导电基板,以及匹配大面积加工工艺的界面优化工艺。ITO自身的脆性限制了其在柔性有机太阳电池领域的应用,因此发展适合柔性有机太阳电池的新型透明电极是十分有必要的。银纳米线(AgNWs)作为一种金属纳米材料,有着较好的弯折性和导电性,是制备柔性电极的很有潜力的材料,且银纳米线兼具合成简单和成本较低的优势,非常适合大尺寸柔性器件的制备。但是纯银纳米线透明电极膜由互穿的银纳米线网络结构组成,表面粗糙度大,与衬底的附着力差,在应用到有机光伏薄膜器件中时,容易刺破有机半导体薄膜导致有较大的漏电流,限制了其在薄膜器件中的应用。鉴于此,本论文主要针对基于可印刷银纳米线的柔性有机光伏电池的电极以及界面修饰的问题,提出新的柔性电极以及界面修饰的方法与策略。主要研究内容如下:1.提出了一种由聚乙氧基乙烯亚胺(PEIE)修饰的AgNWs和氧化锌(ZnO)纳米粒子组成的溶液处理透明电极(AZP透明导电薄膜),它可以通过简单的低温一步刮涂技术在PET基底上制备。所制备的AZP复合薄膜具有良好的透明性和导电性,且表面粗糙度较低。其中少量的PEIE在阻止AgNWs纳米线和ZnO纳米颗粒在溶液和刮涂过程中的沉积和聚集起着至关重要的作用。基于AZP透明电极且无额外阴极界面层的倒置结构有机太阳能电池的PCE达到了 8.31%。在有阴极界面层的情况下,基于AZP/PET和ITO/PET透明电极的器件的PCE比较接近,分别为8.94%和9.14%,但AZP/PET基板上制备的有机光伏电池比ITO/PET上的有机光伏电池具有更好的柔性和耐弯折特性。2.提出了一种新的基于刮涂工艺的低温溶液加工的银纳米线-二氧化锡复合透明电极,由于二氧化锡对银纳米线之间空隙的有效填充,降低了薄膜的粗糙度。此外,采用一种新的适合大面积工艺的溶剂(乙醇胺)表面修饰策略对复合透明电极的表面进行钝化处理,制备的复合电极有着较高的品质因子(约300)以及优异的附着性,乙醇胺可以钝化复合电极的表面缺陷,有效地提升有机光伏器件的性能。而多余的乙醇胺会在退火过程中被除去,因此不需要精细的厚度控制。基于乙醇胺修饰的透明电极制备的有机光伏器件,在没有额外阴极界面层的情况下实现了 13.51%的能量转化效率,而未经乙醇胺修饰电极制备的器件只有12.03%。最后我们采用全刮涂的方式制备了基于银纳米线-二氧化锡复合电极的柔性有机光伏器件,能量转换效率达到13.00%,并且在弯折500次后,仍然可以维持接近初始效率80%的性能。3.通过低温喷涂的加工方式制备了一种易于图案化的银纳米线/氧化锌纳米粒子复合电极,并将其作为顶电极应用于有机光伏器件的制备。研究了氧化锌纳米粒子层覆盖对喷涂的银纳米电极薄膜光电性能和表面形貌等方面造成的影响。银纳米线/氧化锌复合电极相对于纯银纳米线电极,由于氧化锌纳米粒子分散液溶剂挥发造成的毛细作用以及氧化锌纳米粒子的填充作用可有效降低电极的面电阻,相应器件的光电性能得到明显改善,且几乎未改变整个器件的透光率。采用纯银纳米线作为顶电极的有机光伏电池器件的PCE达到9.93%,器件的平均透光率为29.82%;而采用银纳米线/氧化锌复合顶电极的光伏器件实现了 10.75%的能量转化效率,器件的平均透光率为28.80%。最后,我们制备了底电极和顶电极均为银纳米线复合电极的全溶液加工的柔性半透明有机光伏电池,器件的能量转换效率达到9.01%,器件的透光率为27.80%左右。
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