蘇州納米所印刷薄膜光伏實(shí)驗(yàn)室Advanced Materials:光敏親疏水轉(zhuǎn)換界面修飾策略實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定柔性有機(jī)太陽(yáng)能電池
柔性有機(jī)太陽(yáng)能電池(FOSCs)因其高效率、輕柔、可卷對(duì)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(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛能。柔性透明導(dǎo)電電極是影響器件效率與穩(wěn)定性的關(guān)鍵,常規(guī)柔性襯底的水氧滲透導(dǎo)致器件性能衰減,嚴(yán)重制約其應(yīng)用進(jìn)程,而傳統(tǒng)的外層封裝結(jié)構(gòu)往往犧牲器件的光學(xué)與力學(xué)性能,同時(shí)會(huì)增加器件整體的重量。
針對(duì)上述問(wèn)題,中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所印刷薄膜光伏實(shí)驗(yàn)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(shí)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(rùn)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(qiáng)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(duì)比
該工作對(duì)比了柔性有機(jī)太陽(yáng)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(guò)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(diǎn)。NBE光敏親疏水轉(zhuǎn)換材料的機(jī)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(gè)巰基(-SH)發(fā)生加成聚合反應(yīng)。該反應(yīng)過(guò)程中,大量親水性的巰基被消耗,導(dǎo)致薄膜表面化學(xué)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(shí)現(xiàn)表面潤(rùn)濕性的可控轉(zhuǎn)換。
該工作通過(guò)鈣膜法對(duì)不同修飾基材的水蒸氣透過(guò)率(WVTR)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。通過(guò)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(guò)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(jī)理以及修飾前后薄膜性能對(duì)比
此外,該工作對(duì)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(xué)性能、機(jī)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(guò)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(dá)到15.28%和16.33%。同時(shí)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(dá)94%的初始效率,且在彎折10000次后仍有95%的初始效率。這說(shuō)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(jī)太陽(yáng)能電池,為解決柔性有機(jī)太陽(yáng)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(yáng)、上海有機(jī)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(jī)所李維實(shí)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(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持,并得到蘇州納米所納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站的技術(shù)支持。
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