柔性有机光伏：三氟甲磺酸掺杂实现16.61%能量转换效率

研究背景

柔性有机太阳能电池是能源领域的热点研究方向。除了活性层的选择之外，柔性透明电极决定着柔性有机太阳能电池的光伏性能。PEDOT:PSS柔性透明电极的制备在柔性有机光伏发展中扮演着重要的角色。然而，强酸掺杂的PEDOT:PSS电极的导电性、功函数、以及机械柔性制约着柔性有机光伏器件的光伏性能。另外，硫酸等强酸处理会严重腐蚀塑料衬底，难于制备柔性的PEDOT:PSS电极和柔性器件。

该工作利用微量的超强酸，即三氟甲磺酸（CF₃SO₃H），对经典的PEDOT:PSS聚合物薄膜进行浸泡掺杂处理，获得了导电性、功函数和机械性能俱佳的PEDOT:PSS柔性透明电极，基于该透明电极的柔性有机太阳能电池的能量转换效率高达16.61%。同时，该柔性器件具有良好的机械柔性和热稳定性。

Solution-Processed Transparent Conducting Electrodes for Flexible Organic Solar Cells with 16.61% Efficiency

Juanyong Wan, Yonggao Xia, Junfeng Fang*, Zhiguo Zhang*, Bingang Xu, Jinzhao Wang, Ling Ai, Weijie Song, Kwun Nam Hui, Xi Fan*, Yongfang Li

Nano-Micro Letters 13, 44 (2021). https://doi.org/10.1007/s40820-020-00566-3

本文亮点

1、超强酸掺杂的PEDOT:PSS柔性电极具有优异的电学性能和良好的稳定性。

2、超强酸掺杂的PEDOT:PSS柔性电极具有高的功函数，与界面层能级匹配。

3、柔性有机光伏器件最高效率为16.61%，器件具有良好的机械性能和热稳定性。

内容简介

中国科学院宁波材料所樊细（通讯作者）等研究人员提出了微量超强酸低温掺杂。该掺杂能协同调控PEDOT:PSS柔性透明电极的电学性能、功函数、以及机械柔性。通过系统化优化薄膜的掺杂工艺，获得了高导电、高功函的柔性PEDOT:PSS电极。该柔性有机太阳能电池的能量转换效率接近刚性器件的能量转换效率。

该工作采用低浓度的超强酸CF₃SO₃H对PEDOT:PSS薄膜进行浸泡处理，显著降低了PEDOT:PSS的方块电阻。实现发现，0.8 M的CF₃SO₃H在50 ℃温度下对PEDOT:PSS薄膜进行浸泡处理，PEDOT:PSS的方块电阻降至35 Ω /sq。基于该PEDOT:PSS电极的柔性有机太阳能电池获得了16.61%的能量转换效率。此外，该工作澄清了超强酸掺杂PEDOT:PSS电极的载流子浓度、载流子迁移率、以及薄膜中分子振动等调控PEDOT:PSS电极的导电性和晶化的内在机制。

图文导读

1. PEDOT:PSS的导电性和光学性能

通过改变CF₃SO₃H的浓度和掺杂处理温度，调控PEDOT:PSS薄膜的电学性能和透光性。

图1. PEDOT:PSS电极的电学和光学性能。（a）方块电阻；（b）透过率（550 nm处）；（c）载流子浓度；（d）载流子迁移率。

2. PEDOT:PSS的形貌

图2. PEDOT:PSS薄膜的形貌。（a, g）未处理的薄膜形貌；（b-f）0.8 M CF₃SO₃H分别在室温、50、100、140、180 ℃条件下处理PEDOT:PSS薄膜的形貌；（h-i）0.8 M CF₃SO₃H分别在50和140 ℃处理PEDOT:PSS的形貌。尺度: g, h: 100 nm，i: 20 nm。

3. 柔性有机光伏器件的光伏性能

图3.（a）电池结构示意图；（b）电池能级示意图；（c）基于不同衬底的光伏器件的J-V曲线；（d）优化柔性有机光伏器件的EQE曲线；（e）基于PEDOT:PSS电极的柔性有机光伏器件的J-V曲线；（f）空穴器件的J_D^0.5-V曲线。

4. 薄膜的功函数

图4.（a）CH₃SO₃H掺杂PEDOT:PSS电极以及在其上涂覆一层PEDOT:PSS(P VP AI4083)的UPS能谱；（b）在CF₃SO₃H掺杂PEDOT:PSS电极上涂覆一层PEDOT:PSS(P VP AI4083)的UPS能谱。

5. 器件的机械性能和热稳定性

图5.（a）基于PEDOT:PSS与ITO的柔性有机光伏器件的机械性能；（b）三氟甲磺酸掺杂PEDOT:PSS电极的电学稳定性；（c-f）基于PEDOT:PSS电极的柔性有机光伏器件的热稳定性。