有機(jī)薄膜電池因具有高效、低成本、輕柔、可采用全溶液法制備等優(yōu)點(diǎn)，引起了國內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前電池的光電轉(zhuǎn)換效率取得了巨大發(fā)展，展現(xiàn)出產(chǎn)業(yè)化的開發(fā)前景。要實(shí)現(xiàn)有機(jī)光伏的產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化，必須發(fā)展低成本、連續(xù)卷軸印刷工藝。對于印刷薄膜光伏而言，可印刷界面材料是實(shí)現(xiàn)高效印刷光伏的關(guān)鍵材料之一。
在有機(jī)太陽能電池中常用的溶液法界面材料為金屬氧化物納米材料和聚合物/小分子類有機(jī)界面層材料。這兩類界面材料在實(shí)際應(yīng)用中都存在著優(yōu)缺點(diǎn)，比如金屬氧化物納米材料表面缺陷多，容易聚集；有機(jī)類界面材料厚度控制嚴(yán)格，且最有優(yōu)厚度在10 nm以內(nèi)，不適合于印刷法制備。
中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所駱群副研究員和馬昌期研究員開發(fā)了基于金屬氧化物納米顆粒和聚合物的納米復(fù)合界面材料，系統(tǒng)研究了空穴傳輸型以及電子傳輸型復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)組成、物化特性、光電性質(zhì)等。結(jié)果表明該類復(fù)合材料具有優(yōu)異的成膜性能和光電特性。將金屬氧化物納米材料與聚合物進(jìn)行復(fù)合，一方面可以緩解金屬氧化物納米材料的團(tuán)聚現(xiàn)象；另一方面避免了聚合物材料由于導(dǎo)電性原因在薄膜厚度方面的限制。該類材料用于有機(jī)和鈣鈦礦薄膜電池中，可降低器件性能與界面層厚度之間的依賴性，這將有助于降低印刷工藝的難度，提高工藝的重復(fù)性和電池良品率。相關(guān)工作結(jié)果發(fā)表于ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 7170-7179. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2015, 141, 248-259. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 18410-18417. Org. Electron. 2016, 38, 150-157, Org. Electron. 2017, 45,190-197.
圖1 MoO3:PEDOT:PSS復(fù)合材料形成的核殼結(jié)構(gòu),復(fù)合材料中納米顆粒的團(tuán)聚得到改善
由于復(fù)合界面材料良好的成膜性、可印刷性能和導(dǎo)電性能，該研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將這類材料用于全涂布有機(jī)太陽能電池中，發(fā)現(xiàn)印刷納米銀線網(wǎng)絡(luò)在該類界面層上表現(xiàn)出更均勻的分布（圖2）。基于這一特性，該研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合涂布的界面層和噴涂的納米銀線電極，制備了高性能的半透明全涂布有機(jī)太陽能電池，驗(yàn)證了全溶液法制備高效半透明有機(jī)薄膜光伏電池的可行性。相關(guān)結(jié)果發(fā)表于ACS. Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 943-954。
圖2 納米銀線在PMA, PEDOT:PSS,以及PMA:PEDOT:PSS復(fù)合界面層上的分布，以及全涂布半透明有機(jī)太陽能電池的照片以及透過率曲線圖
最近，針對印刷薄膜應(yīng)用要求界面材料墨水具有長時(shí)間的穩(wěn)定性以及低的厚度依賴性，該研究團(tuán)隊(duì)提出了金屬氧化物納米材料的表面化學(xué)接枝修飾的新思路，將具有化學(xué)功能的表面接枝單元直接修飾在納米金屬氧化物表面，從而提高了有機(jī)-無機(jī)復(fù)合納米材料的化學(xué)穩(wěn)定性能以及功能可修飾性能。該工作選擇了氧化鋅為研究對象，選用硅烷偶聯(lián)劑對其進(jìn)行修飾。溶液方法合成的氧化鋅納米顆粒表面含有大量的羥基，易于導(dǎo)致納米材料的團(tuán)聚，以及吸附大量氧，從而引起墨水穩(wěn)定性不理想，以及器件界面電荷累積。該研究團(tuán)隊(duì)通過表面羥基與硅氧烷基的配體交換，獲得一類基于硅烷偶聯(lián)劑修飾的氧化鋅納米材料（圖3）。該材料用于有機(jī)倒置結(jié)構(gòu)太陽能電池中，抑制了常見的“光浴”現(xiàn)象。該類墨水可以在大氣環(huán)境下保存至少1年以上，納米顆粒不出現(xiàn)明顯聚集；使用保存一年的墨水制備界面材料，也可以獲得優(yōu)異的器件性能，為開發(fā)具有高穩(wěn)定性的可印刷納米墨水材料提供了新的思路。該研究結(jié)果最近發(fā)表于ACS Nano, 2018, 12, 5518-5529。
圖3 硅烷偶聯(lián)劑修飾的氧化鋅具有優(yōu)異的墨水穩(wěn)定性
論文鏈接：
