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  柔性有機光伏器件(OPV，也稱有機太陽電池)由于其質(zhì)量輕、成本低、可印刷加工以及耐彎折等突出優(yōu)點已被認(rèn)為是有機光伏器件未來商業(yè)化的發(fā)展方向之一，并有望與剛性硅太陽能電池市場形成良好互補。氧化銦錫(ITO)電極由于其良好的導(dǎo)電性與透光性而被廣泛用于剛性O(shè)PV的透明電極。然而，由于ITO的高成本和易碎性，這將嚴(yán)重限制其作為柔性O(shè)PV的應(yīng)用。因此，開發(fā)高效率、低成本、耐彎折的大面積無ITO柔性O(shè)PV對于其實際應(yīng)用非常重要。

  近日，浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系陳紅征教授課題組在發(fā)展高效率、低成本、耐彎折的大面積柔性OPV上取得重要進展。通過對材料和器件進行協(xié)同優(yōu)化，陳紅征教授課題組制備了一種具有優(yōu)異柔韌性的高效率大面積無ITO有機太陽電池，將有力促進OPVs的發(fā)展。該工作以 “High-Efficiency ITO-Free Organic Photovoltaics with Superior Flexibility and Up-Scalability”為題發(fā)表在國際頂尖材料期刊《Advanced Materials》上（DOI: 10.1002/adma.202200044）。

  該工作設(shè)計并制備了一種先進的基于超薄銀為透明電極(TUA)的頂入射器件結(jié)構(gòu)。首先，插入共軛聚電解質(zhì)層PCP-Li，可以有效連接底部銀電極和空穴傳輸層PEDOT:PSS、改善PEDOT:PSS形貌、提高底部銀電極的功函數(shù)、實現(xiàn)良好的光子到電子轉(zhuǎn)換并大幅提升了器件產(chǎn)率。其次，沉積電荷收集網(wǎng)格以抑制隨著器件面積的擴大而增加的電阻損耗，從而實現(xiàn)了從0.06 cm²到1 cm²幾乎完全一致的器件效率。第三，頂入射結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是入射光不需要穿透襯底而直接被光敏層吸收，這使得頂入射結(jié)構(gòu)使器件能夠集成到不同的基板上，以便于設(shè)計柔性OPV。結(jié)果顯示，所設(shè)計的在超薄聚酰亞胺（PI）基板上的1 cm²柔性OPV的能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)達到了15.56%，創(chuàng)下了無ITO、大面積、柔性OPV的效率記錄。有趣的是，該器件在彎曲半徑為4 mm的情況下彎曲100,000次后幾乎沒有發(fā)生效率衰減，表現(xiàn)出優(yōu)異的機械柔韌性，這代表了柔性OPV的最佳結(jié)果。這項工作為 OPV 的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化提供了參考，具有高效率、低成本、卓越的柔韌性和器件面積擴大的能力，從而推動OPVs的實際應(yīng)用。

圖1. 柔性OPV器件結(jié)構(gòu)及性能示意圖

  該工作是陳紅征教授課題組近期在發(fā)展高效率低成本的有機光伏器件研究的最新進展之一。由于ITO的高成本和易碎性嚴(yán)重限制了其作為柔性OPV的商業(yè)應(yīng)用。發(fā)展優(yōu)異柔韌性與低成本的透明電極對于OPV的后續(xù)發(fā)展非常重要。其中，超薄銀(Ultra-thin Ag)具有高導(dǎo)電性和光學(xué)微腔的強光捕獲特性，已被廣泛探索作為ITO的替代品。此外，基于超薄銀作為透明電極(TUA)的OPV器件由于其柔韌性好、成本低和良好的器件面積放大能力，為OPV的實際應(yīng)用提供了巨大潛力。另外，由于超薄銀電極的強反射特性，導(dǎo)致TUA器件中相當(dāng)大一部分太陽光被超薄銀反射而不是被有效利用，因此對于超薄銀進行光學(xué)性能改善對于提升TUA器件性能尤為重要。基于此，陳紅征教授團隊此前已經(jīng)發(fā)展了一系列基于超薄銀作為透明電極以及對超薄銀進行光學(xué)性能改善的工作(Adv. Mater. 2014, 26, 6778–6784; Adv. Mater. 2015, 27, 6983–6989; Mater. Chem. Front., 2017, 1, 304-309; ACS Energy Lett. 2020, 5, 3115?3123；Chinese Chemical Letters. 2020, 31, 1608–1611; Sol. RRL 2021, 5, 2100339；Adv. Energy Mater. 2021, 2003408 )。

  文章第一作者為浙江大學(xué)高分子系博士研究生鄭祥均，通訊作者為浙江大學(xué)高分子系陳紅征教授、施敏敏教授、左立見研究員以及中科院化學(xué)所侯劍輝研究員。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委的支持。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202200044