【導(dǎo)讀】

有機(jī)太陽能電池（OSCs）的主編周印最新全印刷或涂層對于實(shí)現(xiàn)具有成本效益、高通量和大面積制造是高度非常可取的。然而，華科華完全印刷的有陽OSCs的性能和穩(wěn)定性仍然落后于真空沉積金屬電極的器件。一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是機(jī)太進(jìn)展在新興的非富勒烯活性層和溶液處理的頂部電極之間，缺乏穩(wěn)定且高性能的電池可印刷空穴傳輸層（HTL）。一個(gè)合格的材料可印刷HTL必須能夠在電氣上傳輸/收集空穴，同時(shí)必須在處理方面與其他層兼容。主編周印最新其中，高度聚3, 4-乙烯二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT: PSS）是華科華一種經(jīng)典的導(dǎo)電聚合物，具有高導(dǎo)電性、有陽光學(xué)透明性和易于涂覆的機(jī)太進(jìn)展優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于印刷器件的電池空穴收集。然而，材料PEDOT:PSS 通常分散在水中并表現(xiàn)出強(qiáng)酸性，主編周印最新會降低器件的效率和穩(wěn)定性。

其中，PEDOT:PSS由水加工而成，濕氣被認(rèn)為是器件退化的主要原因之一。據(jù)報(bào)道，除界面外，水還可以滲透到有機(jī)半導(dǎo)體薄膜中的納米空隙中，具有吸收的水分子的納米空隙被認(rèn)為通過在水和聚合物鏈之間形成氫鍵，從而局部改變鏈的構(gòu)象，或通過來自水吸收的納米空隙的介電效應(yīng)而引起電荷載流子陷阱。這些酸度、水分和去濕問題會影響器件的效率和穩(wěn)定性。此外，乙醇和甲醇的表面張力較低，為22-23 mN m^-1，可實(shí)現(xiàn)良好的潤濕性。因此，很有希望開發(fā)由醇加工而成的PEDOT制劑以避免這些問題。

【成果掠影】

在此，華中科技大學(xué)周印華教授等人通過采用全氟磺酸（PFSA）離子聚合物（PFSI）作為抗衡離子替代PSS抗衡離子，制備了一種醇相分散的導(dǎo)電聚合物配方PEDOT:F。其中，PFSA離聚體被廣泛用作電化學(xué)技術(shù)中的固態(tài)電解質(zhì)，特別是聚合物電解質(zhì)燃料電池中的質(zhì)子交換膜和氯堿工業(yè)中的鈉離子導(dǎo)體。它們還被用作水性 PEDOT分散體中的添加劑或抗衡離子，以增加功函數(shù)和改善空穴注入或收集。在那些水基配方中，酸性、水分和去濕的缺點(diǎn)仍然存在。

本文利用PFSA離聚體具有兩個(gè)溶解度參數(shù)的特殊優(yōu)勢，可以分散在水或醇中，從而使得能夠制備分散在醇中的PEDOT:F。同時(shí)，醇分散制劑具有良好的潤濕性和低酸度，避免了PEDOT:PSS中固有的缺點(diǎn)。基于PEDOT:F獲得了完全可印刷的有機(jī)光伏材料（從底部電極到頂部電極），其功率轉(zhuǎn)換效率為15%，在最大功率連續(xù)光照1330小時(shí)下，可保持83%的初始效率。令人鼓舞的是，PEDOT:F可以非常有效地從最近出現(xiàn)的高性能非富勒烯有機(jī)光伏活性層中收集空穴，并有助于實(shí)現(xiàn)具有高性能和良好運(yùn)行穩(wěn)定性的全涂覆有機(jī)太陽能電池。

相關(guān)研究成果以“An alcohol-dispersed conducting polymer complex for fully printable organic solar cells with improved stability”為題發(fā)表在Nature Energy上。其中，審稿人認(rèn)為：“這項(xiàng)工作是有機(jī)太陽能電池發(fā)展的一個(gè)突破，使全印刷的電池成為可能。此外，相信PEDOT:F還可以用于其他溶液處理的光電器件，尤其是在需要高功函數(shù)的情況下”。同時(shí)，Nature Energy編輯評價(jià)到：“這項(xiàng)工作之所以引人注目，是因?yàn)樗瓿闪碎_發(fā)有機(jī)光伏中常用的電荷傳輸材料的醇分散配方的艱巨任務(wù)。這項(xiàng)創(chuàng)新開啟了全印刷太陽能電池的制造，不僅具有高效率，而且還提高了穩(wěn)定性”

【核心創(chuàng)新點(diǎn)】

1.本文制備了PEDOT:F的醇分散導(dǎo)電聚合物配方，并使用 PEDOT:F作為HTL制造了高性能全涂層有機(jī)太陽能電池；

2.基于PEDOT:F獲得了完全可印刷的有機(jī)光伏材料，其功率轉(zhuǎn)換效率為15%，在最大功率連續(xù)光照1330小時(shí)下，可保持83%的初始效率。

【數(shù)據(jù)概覽】

圖一、聚合物抗衡離子在水和醇中的溶解

（a）PEDOT和PFSA離聚體的化學(xué)結(jié)構(gòu)和PEDOT:F的示意圖；

（b）?PSS和PFSA在水和乙醇中的溶解情況。

圖二、基于醇的PEDOT:F與傳統(tǒng)PEDOT:PSS的特性

（a）水性PEDOT:PSS和酒精分散的PEDOT:F在疏水性PM6:PC₇₁BM:Y6有機(jī)活性層上的接觸角；

（b）PEDOT:F和PEDOT:PSS薄膜浸入水中不同時(shí)間的圖片；

（c）ZnO膜在PEDOT：PSS和醇分散PEDOT：F前后的吸收光譜；

（d）具有不同抗離子比的PEDOT:F薄膜和PEDOT:PSS參考薄膜的功函數(shù)。

圖三、醇分散PEDOT:F在OSCs中應(yīng)用的普適性

（a）用于OSC的聚合物供體和受體的化學(xué)結(jié)構(gòu)；

（b）分別使用蒸發(fā)的MoO₃和PEDOT:F作為HTL具有不同活性層OSCs的PCE；?

（c）分別具有表面活性劑的PEDOT:F、PEDOT:PSS和蒸發(fā)的MoO₃作為HTL的OSCs的電流密度-電壓（?J-V）特征；

（d，e）基于不同厚度的PEDOT:F和不同的PEDOT:F退火溫度的PEDOT:F HTL的OSCs的J-V特征。

圖四、具有 PEDOT:F HTL的全印刷OSCs的性能

（a）全印刷的OSCs的設(shè)備結(jié)構(gòu)；

（b）具有PM6:PC₇₁?BM:Y6活性層和PEDOT:F HTL的小面積全覆蓋OSC的J-V特征；

（c）具有PEDOT:F HTL和PEDOT:PSS HTL的全覆蓋OSC在MPP 跟蹤下的長運(yùn)行穩(wěn)定性；

（d）使用PEDOT:F HTL具有七個(gè)子電池的大面積全覆蓋模塊的圖片；

（e）具有1到7個(gè)子電池的全覆蓋模塊的J-V特征；

（f）本文的結(jié)果和文獻(xiàn)中報(bào)道的全覆蓋OSCs的效率對比。

【成果啟示】

綜上所述，本文制備了PEDOT:F的醇分散導(dǎo)電聚合物配方，并使用 PEDOT:F作為HTL制造了高性能全涂層有機(jī)太陽能電池。通過使用PFSA離聚體作為抗衡離子來替代傳統(tǒng)的PSS抗衡離子制備醇分散的PEDOT:F。值得注意的是，PFSA離聚體具有兩個(gè)溶解度參數(shù)的特殊優(yōu)勢，從而能夠制備分散在醇中的PEDOT:F。同時(shí)，醇分散PEDOT:F配方避免了傳統(tǒng)水分散PEDOT:PSS配方長期存在的酸性、水分和去濕性缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)是導(dǎo)致器件性能和穩(wěn)定性差的關(guān)鍵因素。

文獻(xiàn)鏈接：“An alcohol-dispersed conducting polymer complex for fully printable organic solar cells with improved stability”（Nature Energy，2022，10.1038/s41560-022-00997-9）

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