柔性器件-多功能超薄柔性有机太阳能电池

      研究背景

• 近年来，由于光活性材料和器件结构设计的快速发展，有机光伏器件（OPVs）已经取得了重大进展。在提升OPVs效率的同时充分发挥其固有优势，例如超柔韧、超轻、色彩丰富等，对于 OPVs的商业化具有重要意义。目前为止，OPVs的最高能量转换效率(PCE)已经超过20% ，基本上已达到光伏产业的商业化门槛。但是目前的高性能器件基本都是通过脆性和昂贵的氧化铟锡(ITO)玻璃基板来实现的，这种刚性基板消除了 OPVs 的大部分优点。因此，迫切需要开发高效率的 OPVs，并且应该充分利用其优势来展示具有多种功能的 OPV，用于更多不同的应用，例如可穿戴器件、自供能电子器件、建筑或车辆集成、空间技术等。

• 创 新 点 

• 浙江大学Hongzheng Chen & Minmin Shi & Lijian Zuo等人将顶入射结构的OPVs制备在1.3 μm 超薄聚酰亚胺(PI)基底上，并通过器件结构的精细设计和制备工艺的优化，展示了具有可调颜色、记录效率和能量密度的超柔OPV。具体来说，通过优化透明银电极的形貌和器件的光学干涉效应分别提高光伏性能和实现宽色域。因此，相应的超柔OPVs的能量转换效率(PCE)达到了17.32%，并且在剥离处理和5000次压缩-释放变形循环后该效率几乎保持不变。有趣的是，该超柔OPVs表现出 39.72 W g-1的出色单位重量功率，这是所有光伏技术中最好的结果。此外，该工作还制备了1 cm2的大面积柔性OPVs，PCE为17.17%，这也是目前柔性大面积OPVs的最高效率。这些结果证明该超柔OPV对多样化甚至严酷的应用场景具有出色的适应性。

• 文章解析

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• 图1：所设计的顶入射器件的基本信息。
• (a) 设备结构。(b) 活性层（PM6 和 L8-BO）和（c）电子传输层（Bis-FIMG）的化学结构。(d) J-V 特性和 (e) 具有不同超薄 Ag 厚度的基于 TUA 的器件的 EQE 光谱。

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• 图2：润湿效应对超薄 Ag 薄膜和顶入射器件形貌和光电性能的影响。
• PFN-Br/9 nm Ag、PDINO/9 nm Ag、Bis-FIMG/9 nm Ag 和 Bis-FIMG/1 nm Au/8 nm Ag 形态的 (a) AFM 和 (b) SEM 图像。(c) Au/Ag 基透明电极的结构。(d) 透射率，(e) 薄层电阻，和 (f) 不同透明电极的真实图片。(g) 具有各种透明电极的基于 TUA 的器件的 J-V 特性和 (h) EQE 光谱。

图3：多彩有机光伏器件。

具有 0 nm、35 nm、45 nm、55 nm 和 65 nm TeO2 的基于 TUA 的器件的(a) J-V 特性，(b) EQE 和 (c) 反射光谱。(d) 活性层和 TeO2 厚度相关 JSC 的光学模拟结果。(e) 根据实验结果，具有不同 TeO2 厚度的相应器件的颜色坐标。(f) 基于 0–75 nm TeO2 的彩色器件显示。

图4：超薄、超柔的有机太阳电池。

(a) 小面积超柔性OPVs剥离前后的J-V特性，插图为剥离过程。(b) 本工作中的 PCE 和面积与先前发表的文献中报道的超灵活 OPV 的比较。(c) 超柔性设备压缩 30% 时 5000 次压缩-拉伸变形循环的归一化 PCE，插图显示压缩-拉伸过程。(d) 循环压缩-拉伸测试下超柔性OPV的光学显微镜图像，左图显示初始状态，右图显示30%压缩状态。(e) 将这项工作中的功率重量比性能与先前文献中报道的超轻型 PV 的性能进行比较。(f) 蒲公英冠上超柔性 OPV 装置的展示。(g) 手腕上不同颜色的超柔性 OPV 设备的可穿戴显示器。

读后感

该工作开发了一种具有超薄 Ag 透明电极和顶部照明结构的 OPV 器件，并展示了一种同时具有高性能、超灵活性、超轻量化、低成本和色彩可调性等优点的 OPV 器件。该工作首次将顶部照射器件植入超薄衬底(1.3微米)上，制作了超柔性 OPVs，并通过润湿方法和光干涉效应展示了具有可调色、记录效率和功率密度的超柔性 OPVs。该多功能的超薄柔性OPV将有力扩展OPVs领域的应用场景。但考虑到目前OPVs的稳定性问题依然是限制其商业化应用的重大因素，因此开发具有高稳定性的OPV材料、器件结构以及封装工艺将是OPV未来真正走向商业化应用的关键。

【参考文献】

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/EE/D3EE00087G

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