苏州大学《JACS》：柔性有机太阳能电池领域取得新进展

颗粒在线讯：近日，《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society)以“Realizing 17.5% Efficiency Flexible Organic Solar Cellsvia Atomic-Level Chemical Welding of Silver Nanowire Electrodes”为题（DOI:10.1021/jacs.2c01503），在线报道了苏州大学李耀文教授在可印刷银纳米线柔性透明电极（FTE）可控生长及高效柔性有机太阳能电池（FOSCs）构筑取得的重要研究进展。

近年来，FOSCs因其质量轻、可溶液加工、具有可弯曲性等优点引起了科研工作者的广泛关注，并获得了飞速发展。然而，FOSCs的效率较基于玻璃基底制备的刚性电池仍有较大差距，主要原因是基于塑料基底制备的柔性透明电极在面电阻、透过率及可加工性等方面受到了局限。银纳米线（AgNWs）作为新一代高导电率、高透过率、耐弯折的材料已被广泛的应用于柔性电子设备的柔性电极中。但是由于溶液加工的AgNWs之间较差的接触以及与基底之间较弱的粘附力，使得FTE通常表现出较高的粗糙度和较差的导电及机械性能，严重影响了FOSCs的器件性能。基于此，苏州大学李耀文教授等人针对上述问题，提出了“可控还原—化学焊接”策略，通过向银纳米线溶液中引入具有还原性的离子液体（图1a）和硝酸银并与嵌有银纳米线（Em-Ag）的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底相结合，使被还原的银以孪晶生长方式焊接在AgNWs的结点，实现AgNWs和还原银之间原子级接触。这有助于在不牺牲光学透过率的情况下增强AgNWs的物理/电学接触，提高FTE的机械性能和导电性能。基于该FTE制备的FOSCs实现了效率的大幅度提升，以PM6:BTP-eC9:PC71BM为活性层的小面积器件（0.062 cm2）效率达到了17.52%。重要的是，这种FTE的制备方法适用于大尺寸印刷，采用刮涂方法制备的1 cm2 FOSCs的PCE高达15.82%。

图1. （a）离子液体的结构式;（b-c）不同反应时间析出物的照片和XRD谱图，其中*和#分别为AgCl和Ag的特征峰;（d） PET/Em-Ag/AgNWs-IL FTE的SEM图像：白色框表示部分嵌入在PET衬底上的AgNWs，黄色框表示在AgNWs的结点处形成的颗粒。

图2 （a）AgNWs结点FIB切割过程示意图；（b）AgNW结点的透射电镜剖面图和（c）EDS图谱;（d）图2b中标记区域1的透射电镜截面放大图像;（e）左:图2b中标记区域2的透射电镜截面放大图像;右:所选区域的HR-TEM图像。

图3.（a）制备AgNWs FTE流程示意图；（b）Em-Ag/AgNWs-IL FTE(不含衬底)在不同浓度离子液体时的方块电阻、电导率和（c）透过光谱。附图: FTE在10 cm × 10 cm尺度下的照片；（d）FTE的FoM值。

图4. （a）FOSCs结构示意图以及给体PM6与受体Y6、BTP-eC9和PC71BM的分子结构；（b）小面积FOSCs的J-V曲线；（c）大面积柔性透明电极透过率及面电阻均一性；（d）1cm2 FOSCs的J-V曲线；（e）FOSCs效率统计分布图。

图5.（a）PET/Em-Ag/AgNWs和PET/Em-Ag/AgNWs-ILFTE的方块电阻随弯曲次数增加的变化趋势。插图:弯曲试验示意图；（b）PET/Em-Ag/AgNWs和PET/Em-Ag/AgNWs-IL FTE在剥离力作用下方块电阻的变化。插图:剥离试验示意图；（c）0.062-cm2 FOSCs经过6000次弯曲之后的PCE衰减；（d）0.062-cm2 FOSCs在1200次不同弯曲半径下弯曲循环后的相对PCE衰减；（e）1-cm2 FOSCs经过6000次弯曲的PCE衰减过程。插图: FOSCs在弯曲时的照片。

综上所述，该工作在AgNWs结点实现了Ag+的可控还原，银纳米线与被还原银颗粒之间获得了原子级别的物理接触，在银纳米线间形成了“银纳米线—还原银—银纳米线”导电通道，制备的FTE同时具有高的电导率和透光率。相关研究工作对于推动高性能银纳米线电极的商业化有重要的意义，并有望进一步促进高性能、大面积柔性光电器件的发展。

该工作第一作者是苏州大学在读博士研究生曾光和博士后陈炜杰，通讯作者为李耀文教授。致谢苏州大学严锋教授、胡寅博士研究生在离子液体材料方面提供的帮助。该研究成果得到了国家优秀青年科学基金（51922074）等项目的资助和支持。