滴涂法大规模制备高性能柔性无ITO有机太阳能电池

中国科学院宁波材料研究所葛子义等提出了采用滴涂法来代替传统的旋涂法来制备PEDOT:PSS电极。与旋涂法相比，该方法不仅简单、成本低且与大面积制备技术相匹配，易于实现低成本大面积工业化生产。

有机太阳能电池(OSCs)具有重量轻，成本低，可弯曲，可大面积制备等优点，被认为是具有重大产业前景的新一代绿色能源技术。其中，柔性有机太阳能电池由于在未来的可穿戴能源、建筑一体化光伏能源等方面的有着十分广泛的应用前景，因而引起了人们的广泛关注。目前，ITO（氧化铟锡）是市场上应用的最成熟，最广泛的透明导电薄膜。

然而，传统的氧化铟锡（ITO）透明导电薄膜是脆性半导体，其导电性随机械变形程度加大而降低，且制备工艺复杂、资源稀缺导致较高的生产成本，这限制了其在柔性OSCs中的应用。因此设计开发新型透明导电薄膜并实现简单快速、大面积、低成本制备凸显为亟待解决的关键科学技术问题。

目前人们已经提出了很多种新型的透明电极材料来取代 ITO，比如银纳米线、PEDOT:PSS、石墨烯、碳纳米管、金属网格等。其中导电聚合物材料，聚（3,4-亚乙基二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT:PSS）薄膜具有柔韧性好、透过率高、易加工等优点，是非常具有应用潜力的柔性透明电极。但是PEDOT:PSS薄膜还存在导电率低于ITO薄膜的缺点，需要进一步探究提高其导电率的方法。目前研究最多、最成熟的薄膜制备方法——旋涂法，其无法大面积制备的缺点大大限制了 PEDOT:PSS透明导电膜的应用。因此寻找新的简单且与Roll-to-Roll大面积低成本制备相匹配的技术，依然是关键的技术难题。

为了解决上述提到的问题，中国科学院宁波材料研究所葛子义等提出了采用滴涂法来代替传统的旋涂法来制备PEDOT:PSS电极。与旋涂法相比，该方法不仅简单、成本低且与大面积制备技术相匹配，易于实现低成本大面积工业化生产。另外他们提出采用二甲基亚砜(DMSO)、乙二醇(EG) 掺杂处理、甲磺酸(MSA)表面处理、DMSO/MSA、EG/MSA二者相结合的方式来提高PEDOT:PSS薄膜的导电性，并探究比较不同处理方法对PEDOT:PSS薄膜导电性提升的影响。另外作者将采用滴涂法制备的改性PEDOT:PSS电极应用到有机太阳能电池中，与旋涂法所得的性能相当，相应地电池能量转化效率超过了10%。该工作近期发表于Science China Chemistry 。

[流程图] 滴涂法制备PEDOT:PSS电极

 图1. PEDOT:PSS电极的透射、XPS、AFM图谱 

基于滴涂法制备的DMSO/MSA处理的PEDOT:PSS电极，器件的最佳效率为10.23%，接近于10.45%旋涂法制备的对比器件的效率，实验证明滴涂法可行。并且其明显高于DMSO（8.79%）、EG（8.70%）单一掺杂方式处理的器件的效率。经过1000次弯曲测试实验，基于滴涂法制备的柔性有机太阳能电池仍能保持超过80%的原始器件的效率，证明所制备的PEDPOT:PSS电极具有良好的机械性能。

图2.（a）器件结构图、（b）（c）电压-电流曲线图、（d）弯曲效率衰减图

该工作证实了滴涂法制备PEDOT:PSS电极是可行的，由于该方法简单、成本低且与大面积制备技术相匹配，所以为有机太阳能电池低成本柔性化大面积制备提供了重要的参考途径。

该项成果以“Flexible ITO-free organic solar cells over 10% by employing drop-coated conductive PEDOT:PSS transparent anodes” 为题，在线发表于Science China Chemistry（DOI: 10.1007/s11426-018-9426-2）。点击左下角“阅读原文”或长按识别下方二维码免费下载全文▼

葛子义  中科院宁波材料所研究员、博导，先后入选中科院青年拔尖科学家、浙江省杰出青年基金、浙江省“千人计划”、浙江省“151人才”、浙江省“钱江人才”、宁波市领军拔尖人才等。目前担任ES Energy & Environments 、《储能科学与技术》等杂志编委，担任Nature Energy、Advanced Materials、Energy & Environmental Science 等20多种国际知名期刊审稿人。担任科技部、中组部、教育部长江学者、国家自然基金委等项目评审专家。主要从事有机太阳能电池（OPV）、有机发光二极管（OLED）和导电高分子功能材料研究。目前在Nature Photonics、Advanced Materials、Energy & Environmental Science 等高水平国际期刊上共发表SCI论文100多篇，申请发明专利30余项。先后主持国家重点研发计划、5项国家自然基金面上项目、中科院前沿重点、宁波市2025重大专项等项目。