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                香港理工李剛教授團隊《AFM》:面向室內/室外應用的高效柔性可拉伸有機光伏器件
                2021-02-27  來源:高分子科技

                  近年來,隨著物聯網(IoT)的飛速發展,柔性可穿戴光伏器件日益受到人們的關注。其中,有機光伏(OPV)由于其低成本、質輕、易于大面積濕法加工等優勢,具有廣闊的發展前景。然而,基于無氧化銦錫(ITO)的柔性有機光伏器件的能量轉換效率(PCE)一直落后于基于ITO的剛性及微柔性器件。廣泛報道的柔性有機光伏絕大部分都是基于聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亞胺(PI)等塑料襯底,其較低的透過率,以及拉伸性的缺失在很大程度上阻礙了可穿戴器件的實際應用。此外,柔性光伏器件在室內光照下的應用也罕有報道。不同于太陽光,室內光源有光照強度弱,光源發散等問題。因此,如何高效地利用太陽光和室內光進行光伏發電是一個非常重要的問題。


                  基于這些存在的問題,李剛教授領導的香港理工大學先進材料與電子實驗室(AME Lab)開發了一種全新的基于可拉伸、本征減反襯底的高效柔性有機光伏器件。研究者通過一種簡單有效的減反襯底制備方法,利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)復形了商業化3M砂紙的不同表面紋理。相比于剛性玻璃襯底,PDMS襯底在全波段的光透過率更高;紋理化處理(高霧度)不僅進一步降低其反射率,更長的光程也有利于入射光被活性層材料更高效的吸收。通過進一步制備基于PDMS/PEDOT:PSS電極的有機光伏器件后研究者發現,基于6000目砂紙紋理復形PDMS襯底的柔性器件表現出最高的光電轉化效率(15.3%)。另外,頂電極通過密接PDMS封裝處理后形成的三明治結構使得柔性光伏器件在1000次連續彎折(半徑1.5cm) 和200次拉伸(8%-10%)后,仍能保持>83%和>62%的初始PCE值。


                圖1a. 器件結構及制備過程;b. 不同襯底的光學透過率;c. 不同襯底的反射率;d. 基于不同襯底的器件的1-太陽光下J-V曲線


                  作者進一步探究了柔性器件在室內光下的應用。通過對比和分析剛性ITO器件和柔性PEDOT電極器件后,發現在強光下,基于PEDOT:PSS電極的有機光伏器件的填充因子(FF)比剛性ITO器件的低;而在弱光下,兩者表現出幾乎一致的FF值。盡管PEDOT:PSS電極的導電率不如ITO,在室內弱光下,其低電極導電率引起的高串聯電阻對于器件效率的影響變得很小。受益于高EQE和高并聯電阻,基與PDMS/PEDOT:PSS的柔性可拉伸器件表現出和剛性ITO器件不相上下的PCE(20.5% vs. 20.8%)。此外,考慮到室內照明光源如LED燈發光的發散特性,當入射光不垂直于基底時,基于剛性ITO玻璃的光伏器件表現出明顯的效率下降。而基于紋理化PDMS/PEDOT:PSS的器件則出對于的入射光的角度不敏感。尤其是在極端入射角條件下(80°),柔性器件表現出高于剛性器件接近2.5倍的PCE。因此,在室內條件下,該柔性器件能夠獲得更高的光利用率, 對面向未來室內光能再利用及IOT應用等的光伏電池研究有指導意義。


                圖2a. 剛性、柔性器件在弱光下的J-V曲線;b. FF隨著光強變化趨勢;c. 剛性、柔性器件在不同角度入射光下的效率變化


                  該工作以Stretchable ITO-Free Organic Solar Cells with Intrinsic Anti-Reflection Substrate for High-Efficiency Outdoor and Indoor Energy Harvesting為題發表在Advanced Functional Material(DOI: 10.1002/adfm.202010172)上。第一作者是香港理工大學電子及資訊工程學系博士生黃佳明,通訊作者為李剛教授,現為港理工鐘士元爵士可再生能源教授。本研究受到香港研究資助局(PolyU 15320216, 15218517, C5037-18G)、國家自然科學基金(51961165102)深圳市科技創新委員會(JCYJ 20170413154602102)、香港理工大學(1-ZE29,1-BBAS,鐘士元爵士冠名基金)的資助。


                  原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202010172

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                (責任編輯:xu)
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