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  有機(jī)薄膜電池因具有高效、低成本、輕柔、可采用全溶液法制備等優(yōu)點(diǎn)，引起了國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前電池的光電轉(zhuǎn)換效率取得了巨大發(fā)展，展現(xiàn)出產(chǎn)業(yè)化的開(kāi)發(fā)前景。要實(shí)現(xiàn)有機(jī)光伏的產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化，必須發(fā)展低成本、連續(xù)卷軸印刷工藝。對(duì)于印刷薄膜光伏而言，可印刷界面材料是實(shí)現(xiàn)高效印刷光伏的關(guān)鍵材料之一。

  在有機(jī)太陽(yáng)能電池中常用的溶液法界面材料為金屬氧化物納米材料和聚合物/小分子類有機(jī)界面層材料。這兩類界面材料在實(shí)際應(yīng)用中都存在著優(yōu)缺點(diǎn)，比如金屬氧化物納米材料表面缺陷多，容易聚集；有機(jī)類界面材料厚度控制嚴(yán)格，且最有優(yōu)厚度在10 nm以內(nèi)，不適合于印刷法制備。

  中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所駱群副研究員和馬昌期研究員開(kāi)發(fā)了基于金屬氧化物納米顆粒和聚合物的納米復(fù)合界面材料，系統(tǒng)研究了空穴傳輸型以及電子傳輸型復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)組成、物化特性、光電性質(zhì)等。結(jié)果表明該類復(fù)合材料具有優(yōu)異的成膜性能和光電特性。將金屬氧化物納米材料與聚合物進(jìn)行復(fù)合，一方面可以緩解金屬氧化物納米材料的團(tuán)聚現(xiàn)象；另一方面避免了聚合物材料由于導(dǎo)電性原因在薄膜厚度方面的限制。該類材料用于有機(jī)和鈣鈦礦薄膜電池中，可降低器件性能與界面層厚度之間的依賴性，這將有助于降低印刷工藝的難度，提高工藝的重復(fù)性和電池良品率。相關(guān)工作結(jié)果發(fā)表于ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 7170-7179. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2015, 141, 248-259. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 18410-18417. Org. Electron. 2016, 38, 150-157, Org. Electron. 2017, 45,190-197. 

圖1  MoO3:PEDOT:PSS復(fù)合材料形成的核殼結(jié)構(gòu),復(fù)合材料中納米顆粒的團(tuán)聚得到改善

  由于復(fù)合界面材料良好的成膜性、可印刷性能和導(dǎo)電性能，該研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將這類材料用于全涂布有機(jī)太陽(yáng)能電池中，發(fā)現(xiàn)印刷納米銀線網(wǎng)絡(luò)在該類界面層上表現(xiàn)出更均勻的分布（圖2）�；谶@一特性，該研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合涂布的界面層和噴涂的納米銀線電極，制備了高性能的半透明全涂布有機(jī)太陽(yáng)能電池，驗(yàn)證了全溶液法制備高效半透明有機(jī)薄膜光伏電池的可行性。相關(guān)結(jié)果發(fā)表于ACS. Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 943-954。 

圖2  納米銀線在PMA, PEDOT:PSS,以及PMA:PEDOT:PSS復(fù)合界面層上的分布，以及全涂布半透明有機(jī)太陽(yáng)能電池的照片以及透過(guò)率曲線圖 

  最近，針對(duì)印刷薄膜應(yīng)用要求界面材料墨水具有長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性以及低的厚度依賴性，該研究團(tuán)隊(duì)提出了金屬氧化物納米材料的表面化學(xué)接枝修飾的新思路，將具有化學(xué)功能的表面接枝單元直接修飾在納米金屬氧化物表面，從而提高了有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合納米材料的化學(xué)穩(wěn)定性能以及功能可修飾性能。該工作選擇了氧化鋅為研究對(duì)象，選用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)其進(jìn)行修飾。溶液方法合成的氧化鋅納米顆粒表面含有大量的羥基，易于導(dǎo)致納米材料的團(tuán)聚，以及吸附大量氧，從而引起墨水穩(wěn)定性不理想，以及器件界面電荷累積。該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)表面羥基與硅氧烷基的配體交換，獲得一類基于硅烷偶聯(lián)劑修飾的氧化鋅納米材料（圖3）。該材料用于有機(jī)倒置結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池中，抑制了常見(jiàn)的“光浴”現(xiàn)象。該類墨水可以在大氣環(huán)境下保存至少1年以上，納米顆粒不出現(xiàn)明顯聚集；使用保存一年的墨水制備界面材料，也可以獲得優(yōu)異的器件性能，為開(kāi)發(fā)具有高穩(wěn)定性的可印刷納米墨水材料提供了新的思路。該研究結(jié)果最近發(fā)表于ACS Nano, 2018, 12, 5518-5529。

圖3  硅烷偶聯(lián)劑修飾的氧化鋅具有優(yōu)異的墨水穩(wěn)定性

  論文鏈接：

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.7b13346

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b01178