西湖大学柳佃义等人ACS AMI：双功能电极助力全溶液透明有机光伏刷新效率纪录

工作简介

为解决透明有机光伏（TOPVs）器件制备工艺复杂、界面接触差等关键问题，我们提出并开发了一种基于银纳米线（AgNWs）与PDINO共混的双功能透明电极。该电极同时具备电子传输与电荷收集功能，省去传统电子传输层（ETL）沉积步骤，显著简化了全溶液加工流程。实验结果表明，采用该电极的TOPV器件可实现高达13.2%的光电转换效率（PCE）与80.3%的填充因子（FF），并成功扩展至12 cm2面积组件。该策略在器件性能、工艺兼容性与稳定性方面均表现优异，为透明光伏器件的规模化生产提供了全新思路与技术路径。

图1 一步法制备双功能电极实现TOPVs性能提升

文章亮点总结

1. 器件在无热蒸发金属电极情况下，仍达成13.2%的PCE与80.3%的FF，创全溶液TOPV领域历史新高。

2. 器件可在开放空气中加工并维持高性能（PCE = 12.1%，FF = 75.9%），减少对惰性气氛依赖，降低制造成本。

3. 在12 cm2面积上仍保持9.64% 的PCE与良好光学透明性（AVT = 23.2%），验证了技术的工业化可行性。

工作原理

PDINO能够填充AgNWs之间的空隙，并在活性层表面形成均匀覆盖层，从而显著改善其与AgNWs的界面接触，降低传输电阻。此外，PDINO的引入降低了电极的功函数（由4.21 eV 降至约3.9 eV），有利于能级对齐，提升电子提取效率。

文献总结

该研究采用集电子传输与电荷收集功能于一体的透明顶电极，刷新了全溶液制备TOPV的PCE与FF记录，并在空气制备、大面积组件与长期稳定性方面取得重要突破。研究成果以“Dual-Function Transparent Electrode for All-Solution-Processed Semitransparent Organic Photovoltaics”为题，发表于《ACS Applied Materials & Interfaces》上。柳佃义实验室博士生王启南为该工作的第一作者，姜倩晴博士和柳佃义博士为通讯作者。该研究得到了未来产业研究中心（WU2022C037和WU2023C016）、西湖大学-牧原联合研究院、浙江省白马湖实验室和西湖教育基金会的资助。

文章图片

图1：AgNWs: PDINO电极的制备与优化。(a) AgNWs: PDINO电极在透明有机光伏器件中的制备流程示意图。(b) 不同PDINO浓度下AgNWs: PDINO电极的方阻、550 nm处透过率与FoM值。(c) AgNWs: PDINO电极在空气中暴露后的方阻变化趋势。(d) 器件中所用材料的能级图。(e) 器件采用AP-0、AP-1、AP-3、AP-5与AP-7电极的J-V特性曲线。

图2：AgNWs: PDINO电极的形貌分析。(a–e) 分别为AP-0、AP-1、AP-3、AP-5与AP-7电极在玻璃基底上的扫描电镜（SEM）图像，比例尺为400 nm。(f) 均匀涂布在5×5 cm²玻璃基底上的AP-3电极照片，展示其优异的膜均匀性与透明性。

图3：不同电极结构器件的性能对比表征。(a) 使用AgNWs: PDINO、ZnO/AgNWs与PDINO/AgNWs三种电极的器件J-V曲线对比。器件的(b)短路电流密度（JSC）和(c)开路电压（VOC）随光强变化的关系。(d) 不同器件Jph-Veff曲线。三种电极器件在(e)暗态和(f)照明状态下的阻抗谱。

图4：AgNWs: PDINO电极在器件中的应用拓展。(a) 不同活性层厚度下器件的J-V曲线。(b) 器件的外量子效率（EQE）、透过率（T）、反射率（R）及三者总和（EQE+T+R）光谱。(c) 使用AgNWs: PDINO电极的12 cm2大面积器件的J-V曲线与实物图。(d) 不同有机活性层体系器件的J-V曲线。(e)三种电极结构的器件在氮气中储存过程中的归一化PCE变化。(f) 文献中全溶液处理TOPV器件的FF与PCE统计图。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.5c09220

课题组负责人简介

柳佃义，西湖大学特聘研究员（独立PI）。柳佃义博士课题组主要从事光电材料与器件相关领域的研究，研究内容包括透明太阳能电池、人工生物叶片和可穿戴柔性电子等方面。至今已在Nat. Photonics、JACS、Joule、Science Advances等期刊上发表论文30余篇。2022年，创立中国第一家透明光伏公司--西湖光电，致力于推动透明光伏和有机光伏的产业化推广和应用。目前西湖光电研发的透明光伏组件效率和透光率均达到世界领先水平。2024年9月，西湖光电正式对外提供大面积OPV制样服务。

柳佃义团队主页：http://nature.westlake.edu.cn

联系邮箱：liudianyi@westlake.edu.cn

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