主編高度評價，華科周印華Nature Energy有機太陽能電池最新進展

【導讀】

有機太陽能電池（OSCs）的全印刷或涂層對于實現具有成本效益、高通量和大面積制造是非常可取的。然而，完全印刷的OSCs的性能和穩定性仍然落后于真空沉積金屬電極的器件。一個關鍵挑戰是在新興的非富勒烯活性層和溶液處理的頂部電極之間，缺乏穩定且高性能的可印刷空穴傳輸層（HTL）。一個合格的可印刷HTL必須能夠在電氣上傳輸/收集空穴，同時必須在處理方面與其他層兼容。其中，聚3, 4-乙烯二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT: PSS）是一種經典的導電聚合物，具有高導電性、光學透明性和易于涂覆的優點，廣泛用于印刷器件的空穴收集。然而，PEDOT:PSS 通常分散在水中并表現出強酸性，會降低器件的效率和穩定性。

其中，PEDOT:PSS由水加工而成，濕氣被認為是器件退化的主要原因之一。據報道，除界面外，水還可以滲透到有機半導體薄膜中的納米空隙中，具有吸收的水分子的納米空隙被認為通過在水和聚合物鏈之間形成氫鍵，從而局部改變鏈的構象，或通過來自水吸收的納米空隙的介電效應而引起電荷載流子陷阱。這些酸度、水分和去濕問題會影響器件的效率和穩定性。此外，乙醇和甲醇的表面張力較低，為22-23 mN m^-1，可實現良好的潤濕性。因此，很有希望開發由醇加工而成的PEDOT制劑以避免這些問題。

【成果掠影】

在此，華中科技大學周印華教授等人通過采用全氟磺酸（PFSA）離子聚合物（PFSI）作為抗衡離子替代PSS抗衡離子，制備了一種醇相分散的導電聚合物配方PEDOT:F。其中，PFSA離聚體被廣泛用作電化學技術中的固態電解質，特別是聚合物電解質燃料電池中的質子交換膜和氯堿工業中的鈉離子導體。它們還被用作水性 PEDOT分散體中的添加劑或抗衡離子，以增加功函數和改善空穴注入或收集。在那些水基配方中，酸性、水分和去濕的缺點仍然存在。

本文利用PFSA離聚體具有兩個溶解度參數的特殊優勢，可以分散在水或醇中，從而使得能夠制備分散在醇中的PEDOT:F。同時，醇分散制劑具有良好的潤濕性和低酸度，避免了PEDOT:PSS中固有的缺點。基于PEDOT:F獲得了完全可印刷的有機光伏材料（從底部電極到頂部電極），其功率轉換效率為15%，在最大功率連續光照1330小時下，可保持83%的初始效率。令人鼓舞的是，PEDOT:F可以非常有效地從最近出現的高性能非富勒烯有機光伏活性層中收集空穴，并有助于實現具有高性能和良好運行穩定性的全涂覆有機太陽能電池。

相關研究成果以“An alcohol-dispersed conducting polymer complex for fully printable organic solar cells with improved stability”為題發表在Nature Energy上。其中，審稿人認為：“這項工作是有機太陽能電池發展的一個突破，使全印刷的電池成為可能。此外，相信PEDOT:F還可以用于其他溶液處理的光電器件，尤其是在需要高功函數的情況下”。同時，Nature Energy編輯評價到：“這項工作之所以引人注目，是因為它完成了開發有機光伏中常用的電荷傳輸材料的醇分散配方的艱巨任務。這項創新開啟了全印刷太陽能電池的制造，不僅具有高效率，而且還提高了穩定性”

【核心創新點】

1.本文制備了PEDOT:F的醇分散導電聚合物配方，并使用 PEDOT:F作為HTL制造了高性能全涂層有機太陽能電池；

2.基于PEDOT:F獲得了完全可印刷的有機光伏材料，其功率轉換效率為15%，在最大功率連續光照1330小時下，可保持83%的初始效率。

【數據概覽】

圖一、聚合物抗衡離子在水和醇中的溶解

（a）PEDOT和PFSA離聚體的化學結構和PEDOT:F的示意圖；

（b）?PSS和PFSA在水和乙醇中的溶解情況。

圖二、基于醇的PEDOT:F與傳統PEDOT:PSS的特性

（a）水性PEDOT:PSS和酒精分散的PEDOT:F在疏水性PM6:PC₇₁BM:Y6有機活性層上的接觸角；

（b）PEDOT:F和PEDOT:PSS薄膜浸入水中不同時間的圖片；

（c）ZnO膜在PEDOT：PSS和醇分散PEDOT：F前后的吸收光譜；

（d）具有不同抗離子比的PEDOT:F薄膜和PEDOT:PSS參考薄膜的功函數。

圖三、醇分散PEDOT:F在OSCs中應用的普適性

（a）用于OSC的聚合物供體和受體的化學結構；

（b）分別使用蒸發的MoO₃和PEDOT:F作為HTL具有不同活性層OSCs的PCE；?

（c）分別具有表面活性劑的PEDOT:F、PEDOT:PSS和蒸發的MoO₃作為HTL的OSCs的電流密度-電壓（?J-V）特征；

（d，e）基于不同厚度的PEDOT:F和不同的PEDOT:F退火溫度的PEDOT:F HTL的OSCs的J-V特征。

圖四、具有 PEDOT:F HTL的全印刷OSCs的性能

（a）全印刷的OSCs的設備結構；

（b）具有PM6:PC₇₁?BM:Y6活性層和PEDOT:F HTL的小面積全覆蓋OSC的J-V特征；

（c）具有PEDOT:F HTL和PEDOT:PSS HTL的全覆蓋OSC在MPP 跟蹤下的長運行穩定性；

（d）使用PEDOT:F HTL具有七個子電池的大面積全覆蓋模塊的圖片；

（e）具有1到7個子電池的全覆蓋模塊的J-V特征；

（f）本文的結果和文獻中報道的全覆蓋OSCs的效率對比。

【成果啟示】

綜上所述，本文制備了PEDOT:F的醇分散導電聚合物配方，并使用 PEDOT:F作為HTL制造了高性能全涂層有機太陽能電池。通過使用PFSA離聚體作為抗衡離子來替代傳統的PSS抗衡離子制備醇分散的PEDOT:F。值得注意的是，PFSA離聚體具有兩個溶解度參數的特殊優勢，從而能夠制備分散在醇中的PEDOT:F。同時，醇分散PEDOT:F配方避免了傳統水分散PEDOT:PSS配方長期存在的酸性、水分和去濕性缺點，這些缺點是導致器件性能和穩定性差的關鍵因素。

文獻鏈接：“An alcohol-dispersed conducting polymer complex for fully printable organic solar cells with improved stability”（Nature Energy，2022，10.1038/s41560-022-00997-9）

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