最新Nature Energy：有機光伏技術重大突破

有機光伏(OPV)具有重量輕、易于加工和優異的機械靈活性等突出特點，在物聯網、可穿戴和便攜式電子設備能源供給方面具有巨大的應用潛力。為了為應用提供足夠的功率，有必要制造大面積柔性有機光伏模塊。然而，大面積柔性有機光伏組件存在漏電流和相鄰子電池電接觸不良的問題，造成效率和穩定性損失。實現高性能柔性大面積模組是有機光伏領域面臨的重要難題，相鄰子電池之間的漏電流大和電接觸不良是導致柔性大面積有機光伏模組效率和穩定性不足的關鍵因素，限制了有機光伏的應用。

首先，由于激子擴散長度和電荷載流子遷移率的限制，要達到最佳效率，有機有源層必須很薄（約100-300 nm）。薄有機有源層是柔性的。底部透明電極表面粗糙度大，如尖峰和顆粒，會導致漏電流通過有源層。因此，柔性透明底部電極不僅要非常光滑，還要兼顧導電性和透光性。銀納米線（AgNWs）柔性電極具有良好的導電性和透光性平衡。它已被廣泛用作高效柔性小面積OPV電池的透明底電極。然而，AgNWs底部透明電極尚未成功應用于大面積柔性組件。這是因為AgNWs薄膜表面粗糙。在放大使用AgNW底部電極的柔性OPV組件時會出現漏電流。其次，薄膜光伏組件通常具有分離線結構，然而，AgNWs具有較低的激光蝕刻耐受性，在激光燒蝕去除有源層的過程中，AgNWs底電極很難保持完整。底部受損的AgNWs將無法與前一個相鄰子電池的頂部電極形成充分的電接觸。

針對該問題，近日，華中科技大學周印華教授團隊在Nature Energy上發表題為“Increase in the efficiency and stability of large-area flexible organic photovoltaic modules via improved electrical contact”的論文。該項工作通過抑制漏電流和改善電接觸實現了高性能和穩定的大面積柔性OPV組件。研究人員將大面積的銀納米線電極嵌入到聚合物襯底中，以減少表面粗糙度，從而抑制漏電流，并在相鄰的子電池之間沉積鉻和銀納米線以改善電接觸。研究表明，鉻抑制了銀膜的聚集，增加了銀膜在熱退火、機械彎曲和光照下的激光輻照度，并保持了銀膜的導電性。這些改進提高了柔性OPV組件的光電效率和穩定性，有望推動柔性有機光伏技術走向實際應用

圖1大面積柔性OPV組件的結構和性能

圖2大面積AgNWs-em-PVA柔性透明電極

圖3活性層和電極薄膜的激光蝕刻通量

圖4薄膜和設備穩定性

該項工作通過改善電接觸，實現了高效穩定的大面積柔性有機光伏組件。通過在聚合物襯底中嵌入銀納米線，制備了光滑的大面積柔性透明電極，以減少大面積模塊中的電分流。在相鄰的子電池之間沉積了Cr (5nm)/Ag (40nm)薄膜，形成高效穩定的電接觸。Cr/Ag薄膜的引入創造了寬的激光加工窗口，可以完全去除有機活性層，同時保持底部AgNWs透明電極的完整。沉積的Cr薄膜可以抑制銀薄膜在高溫下形成聚集。同時提高了電接觸效率，從而提高了激光刻蝕的耐受性和器件在連續機械彎曲和光照下的穩定性。大面積柔性模塊的有效面積為41 cm²，經認證的功率轉換效率為14.04%。有效面積為370 cm²的模塊(由9片單片組裝)顯示出13.10%的認證效率和103.51 V的高開路電壓。大面積柔性模組在連續照射912小時后，仍能保持初始效率的90.4±2.3%。高效率和穩定性將推動柔性有機光伏技術走向實際應用。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41560-024-01501-1