蘇州納米所印刷薄膜光伏實驗室Advanced Materials：光敏親疏水轉(zhuǎn)換界面修飾策略實現(xiàn)高效穩(wěn)定柔性有機太陽能電池
柔性有機太陽能電池（FOSCs）因其高效率、輕柔、可卷對卷印刷等特性，在光伏建筑一體化、可穿戴電子和便攜式能源等領域具有巨大的應用潛能。柔性透明導電電極是影響器件效率與穩(wěn)定性的關鍵，常規(guī)柔性襯底的水氧滲透導致器件性能衰減，嚴重制約其應用進程，而傳統(tǒng)的外層封裝結(jié)構(gòu)往往犧牲器件的光學與力學性能，同時會增加器件整體的重量。
針對上述問題，中國科學院蘇州納米所印刷薄膜光伏實驗室提出了一種基于光敏性的鄰硝基芐醇衍生物（NBE）溶液的界面修飾策略。該修飾材料可在光照下實現(xiàn)從親水性到疏水性的可控轉(zhuǎn)換。親水狀態(tài)顯著改善AgNWs透明電極在阻隔膜基材上的浸潤性與均勻性，保證器件的性能；轉(zhuǎn)化后的疏水表面有效增強了電極的阻隔性能，提升電池在空氣中的可靠性。
圖1 阻隔膜性能以及阻隔膜原位制備器件的結(jié)構(gòu)及厚度對比
該工作對比了柔性有機太陽能電池（FOSCs）的傳統(tǒng)外部封裝結(jié)構(gòu)和本研究提出的原位結(jié)構(gòu)示意圖，展示了阻隔膜的優(yōu)異透過性以及原位阻隔膜FOSCs結(jié)構(gòu)在制備器件更輕薄、高透光性的特點。NBE光敏親疏水轉(zhuǎn)換材料的機理是在光照下，光引發(fā)劑BAPO引發(fā)丙烯酸酯功能化的NBE分子末端的碳碳雙鍵與交聯(lián)劑PETMP中的多個巰基（-SH）發(fā)生加成聚合反應。該反應過程中，大量親水性的巰基被消耗，導致薄膜表面化學組成發(fā)生變化，從初始的親水狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷疇顟B(tài)，從而實現(xiàn)表面潤濕性的可控轉(zhuǎn)換。
該工作通過鈣膜法對不同修飾基材的水蒸氣透過率（WVTR）進行對比測試。通過引入親水材料聚乙烯醇（PVA）作為參照，系統(tǒng)性地探究了可親疏水轉(zhuǎn)換材料與親水材料的修飾性能差異。結(jié)果可以看到經(jīng)過NBE修飾后的阻隔膜WVTR能夠接近玻璃材料，有著較高的阻隔性能。
圖2 NBE修飾層親疏水轉(zhuǎn)化機理以及修飾前后薄膜性能對比
此外，該工作對比了阻隔膜銀納米線（BF/AgNWs）、親水材料PVA修飾的電極（BF/PVA/AgNWs）、NBE溶液修飾的阻隔膜電極（BF/NBE/AgNWs）的分布形貌、光學性能、機械性能等特性。結(jié)果顯示BF/NBE/AgNWs電極展現(xiàn)出了優(yōu)異的銀納米線分布均勻性、電極的高透過率、高粘附力以及耐彎折的優(yōu)異性能。
最后，在NBE修飾的阻隔膜上原位制備PM6:L8-BO二元體系和PM6:BTP-BP-4Cl:PC61BM三元體系的FOSCs器件，器件效率分別達到15.28%和16.33%。同時BF/NBE/AgNWs器件在空氣中放置600h后仍保留近80%的初始效率，在水中浸泡4h后仍保留平均高達94%的初始效率，且在彎折10000次后仍有95%的初始效率。這說明了親疏水NBE修飾策略可獲得兼具高效率與高穩(wěn)定性的柔性有機太陽能電池，為解決柔性有機太陽能電池穩(wěn)定性難題提供了新思路。
圖3 器件性能
圖4 器件穩(wěn)定性
上述工作以 High Efficiency and Stable Flexible Organic Solar Cells Facilitated by Light Sensitive Hydrophilic-to-Hydrophobic Converting Surface Modification of the Flexible Barrier Films為題發(fā)表在Advanced Materials上。蘇州納米所碩士生陳陽、上海有機所碩士生岳超、蘇州納米所碩士生熊威為論文第一作者，上海有機所李維實研究員、蘇州納米所馬昌期研究員、駱群研究員為論文通訊作者。研究工作獲得國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金等項目的支持，并得到蘇州納米所納米真空互聯(lián)實驗站的技術(shù)支持。
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