近日，《先进材料》(Advanced Materials)以“Realizing Ultrahigh Mechanical Flexibility and >15% Efficiency of Flexible Organic Solar Cells via a “Welding” Flexible Transparent Electrode”为题，在线报道了苏州大学李耀文教授在制备高性能柔性有机太阳能电池方面取得的重要研究进展。(Adv. Mater., DOI: 10.1002/adma.201908478)
柔性有机太阳能电池由于具有轻质、廉价、可溶液加工的优势以及在可穿戴能源方面展现的巨大市场空间受到了广泛关注。然而，柔性有机太阳能电池效率较基于玻璃基底制备的刚性电池仍有较大差距，主要原因是基于塑料基底制备的柔性透明电极在面电阻、透过率及可加工性等方面受到了局限。因此，制备高性能柔性透明电极是进一步提升柔性有机太阳能电池性能的关键。银纳米线作为新一代高导电率、高透过率、耐弯折材料作为电极已被广泛的应用在触控屏等电子设备中。但是银纳米线与塑料基底附着力不高，在面向太阳能电池应用时为了增加活性区域面积仍需要与导电聚合物，例如PH1000，相结合制备复合电极。这使得柔性透明电极在长波段区域尤其是近红外区透过率大幅度下降，限制了活性层对光的充分吸收。基于此，苏州大学李耀文教授等人提出了“焊接”策略，如图1a所示，在嵌有银纳米线的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底上旋涂银纳米线溶液，通过毛细力作用与具有高透光性的铝掺杂氧化锌（AZO）进行复合，并利用AZO的二次生长使银纳米线与AZO之间，内嵌银纳米线与上层银纳米线之间完美结合，构筑了Em-Ag/AgNWs:AZO-SG柔性透明电极。该方法不仅增加了电极与基底之间的附着力，同时还大幅度降低了柔性透明电极的面电阻，提高了近红外区域的透过率，以及增强了机械耐弯曲性能。基于该电极制备的柔性有机太阳能电池效率实现了大幅度提升，以PBDB-T-2F:Y6为活性层，效率达到了15.21%，与基于玻璃基底制备的电池效率相当，是迄今为止单结柔性有机太阳能电池的最高效率。此外，该柔性有机太阳能电池表现出了良好的机械性能，甚至在对折1200次后仍能保持初始效率的81.7%。
图1 a) 电极制备过程示意图。b) 不同电极的面电阻。c) 不同电极透过率曲线及活性层紫外可见吸收光谱图。
图2 a-c)电极SEM截面图： a) Em-Ag/PH1000; b) Em-Ag/AgNWs:AZO-SG; c) AgNWs:AZO-SG。 d) 不同电极弯曲测试下面电阻变化率。 e) 不同电极的附着力值及附着力测试示意图。
由电极截面图可以看出采用这样一种嵌有银纳米线的基底，基底中的银纳米线会与上层电极中的银纳米线形成结点，从而增强电极与基底的附着力。相较于采用普通PET基底制备的电极，嵌有银纳米线的基底制备的电极具有更好的机械性能，其在4 mm的弯曲半径下弯曲1200次，面电阻几乎无明显变化。
图3 a) 器件能级图。b) 器件结构示意图及活性层材料分子式。不同电极制备的柔性有机太阳能电池: c) J-V曲线；d) EQE曲线；
图4 a) 在循环弯曲机上弯曲半径为4 mm的柔性有机太阳能电池的照片。b) 向内弯曲，向外弯曲示意图。c-d) 效率下降图：c) 不同电极在4 mm弯曲半径下弯曲1200次。d) Em-Ag/AgNWs:AZO-SG电极在不同弯曲半径下弯曲1200次。e) Em-Ag/AgNWs:AZO-SG电极在4 mm弯曲半径下弯曲6000次。
从图4弯曲测试中可以发现Em-Ag/AgNWs:AZO-SG电极制备的柔性有机太阳能电池机械性能有大幅度提升，在4mm弯曲半径下经过1200次弯曲后能保持初始效率的93.7%，经过6000次的弯曲后效率仍能保持初始效率的75%。甚至在完全弯曲的情况下，经过1200次对折弯曲后仍能保留初始效率的81.7%。
综上所述，“焊接”策略为今后发展高性能柔性透明电极提供了新思路，对推动柔性有机太阳能电池面向实际应用具有重要的意义。该工作第一作者是苏州大学硕士研究生陈潇斌和博士研究生许桂英，通讯作者为李耀文教授，共同通讯作者为顾宏伟教授。该研究成果得到了国家优秀青年科学基金（51922074），面向能源光电转换重大研究计划集成项目（91633301）、重点国际（地区）合作研究项目（5181001093）、国家自然科学基金面上项目（51673138）等项目的资助和支持。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201908478?af=R
来源：高分子科学前沿
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