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[材料资讯] 陈永胜课题组Nature Electronics:高性能柔性有机太阳能电池

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发表于 2019-11-7 08:30:17 | 显示全部楼层 |阅读模式
11月4日,国际顶级学术期刊《自然·电子学》(Nature Electronics)刊发了南开大学化学学院陈永胜教授团队的研究论文,介绍了他们在柔性透明电极与柔性有机太阳能电池领域研究中获得的突破性进展。
      文章介绍,陈永胜团队制备了同时具有高导电、高透光且低表面粗糙度的银纳米线柔性透明电极,将其用于构筑柔性有机太阳能电池,与使用商业氧化铟锡(ITO)玻璃电极的器件性能相当,光电转化效率可达16.5%,刷新了文献报道的柔性有机/高分子太阳能电池光电转化效率的最高记录。这一成果使得高效柔性有机太阳能电池距离实现产业化更近一步。

柔性有机太阳能电池

柔性有机太阳能电池
       柔性电子器件,特别是基于有机材料的光电器件,是未来电子器件发展的一大趋势,具有巨大的应用前景。“其中,获得高性能的柔性透明电极是实现高效柔性有机光电器件的前提,也是目前该领域的核心难题。但是,如何获得同时具有高导电、高透光、低表面粗糙度以及制备方法简单、绿色的柔性透明电极依然是巨大的挑战。”陈永胜说。
       由于缺乏上述高性能的柔性透明电极,目前柔性有机光电器件的性能仍大幅度落后于相应的刚性器件。柔性透明电极通常采用干法(如蒸镀)或溶液处理(如狭缝印刷、纳米压印或电纺丝等)工艺制备。相比于干法制备,溶液处理方法制备柔性电极具有成本低,可大规模“卷对卷”印刷制备等优点,发展潜力巨大。
       在逾渗阈值理论指导下,陈永胜团队利用高分子电解质,根据离子静电相互排斥原理,一步法制备了具有“类网格”结构的银纳米线柔性透明电极。该柔性透明电极实现了优异的性能,其中方阻10 Ω sq-1,透光度92%(550 nm),品质因子(FoM)可达416,表面粗糙度低,且具有优良的机械性能和热稳定性以及制备方法简单、绿色。
       为证明其在有机光电器件中的实用性,陈永胜团队制备了基于该柔性透明电极的柔性有机太阳能电池。研究表明,该电极可适用于不同类型活性材料以及单结及叠层光伏器件。制备的柔性光伏器件与使用商业ITO玻璃电极的器件性能相当。单结和叠层柔性有机太阳能电池分别实现了13.1%和16.5%的光电转化效率,并表现出优异的机械性能,连续弯曲1000次(弯曲半径r = 5 mm),器件仍能保持初始效率的95%以上。
     “除了应用于有机太阳能电池,这一低成本高性能柔性透明电极在其它柔性电子如有机发光二极管、晶体管、传感器等领域也将有极大的应用潜力。”陈永胜说。
       据了解,该研究得到科技部、国家自然科学基金委、天津市科委和南开大学相关科技项目支持。
       论文链接:https://www.nature.com/articles/s41928-019-0315-1


         氧化铟锡(ITO,或者掺锡氧化铟)是一种铟(III族)氧化物(In2O3) and锡(IV族)氧化物(SnO2)的混合物,通常质量比为90%In2O3,10% SnO2。它在薄膜状时,透明,略显茶色。在块状态时,它呈黄偏灰色。2017年10月27日,世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单初步整理参考,氧化铟锡在2B类致癌物清单中。


        柔性太阳能电池,是薄膜太阳能电池的一种,而且技术先进、性能优良、成本低廉、用途广泛。可以应用 于太阳能背包、太阳能敞篷、太阳能手电筒、太阳能汽车、太阳能帆船甚至太阳能飞机上。柔性太阳能的一个重要应用领域是 BIPV(Building Integrated Photovoltaic,光伏建筑一体化),它可以集成在窗户或屋顶、外墙 或内墙上。在有机太阳电池(organic photovoltaic, OPV)中,有机半导体吸收介质通常由施主材料和受主材料混合而成。施主材料善于给出电子、吸收空穴,混合后具有正电性,共轭聚合物(conjugated polymer)是典型的施主 材料。受主材料善于吸收电子、给出空穴,混合后具有负电性,富勒烯(fullerene,C 60)是典型的受主材料。激子(excition)是被束缚的电子- 空穴对,是受激后的准离子(quasiparticle)。受激后,电子和空穴分离,但是电子- 空穴对仍然通过静电的库伦力互相吸引,由于库伦束缚而不能彻底分离,形成激子。激子有两种,瓦尔尼- 模特激子(Wannier-Mottexcition)和弗伦克尔激子(Frenkel exciton)。瓦尔尼-模特激子存在于在晶体硅半 导体中,被激发到导带中的电子和价带中的空穴形成束缚态,库伦力较弱,在 0.01eV 左右。弗伦克尔激子存在 于有机介质的施主材料中,之间的库伦力较强,在0.3eV 左右。


       陈永胜,教授,博士生导师,南开大学纳米科学与技术研究中心主任。1984年本科毕业于郑州大学化学系,导师吴养洁院士。1987年在南开大学获得硕士学位,导师王序昆教授。1987-1992年,在北京科技大学化学学院任讲师。1993-1997年,在加拿大维多利亚大学攻读博士学位,导师Reg Mitchel 教授。1997-1999年,在美国加州大学洛杉矶分校和肯塔基大学从事博士后研究工作,导师Robert Haddon和Fred Wudl教授。1999-2004年,在美国加州州立圣地亚哥分校任研究员。2004年至今,为南开大学特聘教授,天津市特聘教授。

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