有机及钙钛矿薄膜光伏的印刷工艺

        新型太阳能电池中,有机和钙钛矿电池具有材料成本低、可印刷法低成本制造,以及轻柔可折叠等优势。迄今,两类电池的光电转换效率已经达到了商业化应用前景的水平。开发有机和钙钛矿薄膜电池的大面积印刷法制造工艺是实现其走向市场应用的必由之路。

        本课题组结合刮刀、狭缝涂布、凹版印刷、喷涂、喷墨打印等技术开展有机和钙钛矿薄膜电池的全溶液/全印刷制造技术,研究内容包括:纳米界面材料的表面态调控、可印刷电子墨水的开发、印刷功能薄膜的制备与过程控制、印刷功能薄膜的界面特性研究四个方面。

(1)纳米界面材料的表面态调控与墨水化

        印刷电子油墨要求绿色环保、长效稳定、电池性能对功能薄膜的厚度敏感性低。为了获得这样一类优异的界面层墨水,研究组致力于纳米金属氧化物材料的配位化学研究,通过表面配体调节,降低纳米材料表面缺陷密度,调解纳米材料微观光电特性以及表观物化特性。例如:研究组采用硅烷偶联剂修饰的氧化锌纳米材料可以在环境友好的乙醇溶剂中保存至少一年,同时具备优异的光电特性。

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ZnO or ZnO@APTMS  as interface

(2)可印刷纳米复合界面材料

        为了改善金属氧化物纳米材料的长效稳定性以及成膜质量,研究组致力于开发基于无机纳米材料以及有机分子的纳米复合材料。例如研究组开发了基于ZnO[1-3],MoO3[4],多金属氧化簇[5]以及聚合物的纳米复合界面材料(如图),在薄膜质量、光电特性,工作厚度、以及抗溶剂作用等方面表现出优异的性能,成功应用于全涂布有机太阳能电池中。

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MoO3:PEDOT:PSS

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PMA:PEDOT:PSS

(3)印刷功能薄膜的研制与过程控制

        印刷功能薄膜的形貌及质量除了与电子墨水的性质有关外,也决定于印刷以及薄膜成型过程中的墨水铺展、薄膜干燥等动态变化过程。研究组采用多种印刷方法制备功能薄膜,着重研究印刷过程参数对表面形貌以及垂直相分离形貌以及薄膜宏观均匀性等的影响规律。

(4)印刷功能薄膜的界面特性研究

        印刷功能器件中多层薄膜间界面特性包括电池界面接触性能、电荷输运特性等,实现界面能级匹配是构建高效率薄膜电池的关键。例如以金属栅线作为透明导电电极的倒置结构有机太阳能电池中,电极上引入高导聚合物,造成阴极界面出现电荷累积,造成不正常的J-V曲线,通过调节导电聚合物的功函数,成功解决了该问题[6]。

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PEDOT:PSS:PEI

参考文献

[1] N. Wu, Q. Luo, Z. M. Bao, J. Lin, Y.-Q. Li, C.-Q. Ma, Zinc oxide:conjugatedpolymer nanocomposite as cathode buffer layer for solution processed inverted organic solar cells, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2015, 141, 248-259.

[2] X. R. Jia, L. P. Zhang, Q. Luo, H. Lu, X. Y. Li, Z. Z. Xie, Y. Z. Yang, Y.-Q. Li, X. G. Liu, C.-Q. Ma, Power conversion efficiency and device stability improvement of inverted perovskite solar cells by using a ZnO:PFN composite cathode buffer layer, ACS. Appl. Mater. Interface, 2016, 8, 18410-18417.

[3] X. R. Jia, N. Wu, J. F. Wei, L. P. Zhang, Q. Luo, Z. M. Bao, Y.-Q. Li, Y. Z. Yang, X. G. Liu, C.-Q. Ma, A low-cost and low-temperature processable zinc oxide-polyethylenimine (ZnO:PEI) nano-composite as cathode buffer layer for organic and perovskite solar cells. Organ. Electron. 2016, 38, 150-157.

[4] Y. L. Wang, Q. Luo, Q. K. Wang, H. F. Zhu, L. W. Chen, Y.-Q. Li, L. Q. Luo, C.-Q. Ma(*), Solution -processed MoO3:PEDOT:PSS hybrid hole transporting layer for inverted polymer solar cells, ACS Appl. Mater. Interface, 2015, 7, 7170-7179.

[5] G. Q. Ji, Y. L. Wang, Q. Luo, K. Han, M. L. Xie, L. P. Zhang, N. Wu, J. Lin, S. G. Xiao, Y.-Q. Li, L.-Q. Luo, C.-Q. Ma, Fully coated semitransparent solar cells with a doctor blade coated composite anode buffer layer of phosphomolybdic acid and PEDOT:PSS and a spray coated silver nanowire top electrode, ACS. Appl. Mater. Interface, 2018, 10, 943-954.

[6] J. Wang, F. Fei, Q. Luo, S. H. Nie, N. Wu, X. L. Chen, W. M. Su, Y. J. Li, C.-Q. Ma Modification of the highly conductive PEDOT:PSS layer for use in silver nanogrid electrode for flexible inverted polymer solar cells, ACS. Appl. Mater. Interface, 2017, 9, 7834-7842.