主编高度评价，华科周印华Nature Energy有机太阳能电池最新进展

【导读】

有机太阳能电池（OSCs）的全印刷或涂层对于实现具有成本效益、高通量和大面积制造是非常可取的。然而，完全印刷的OSCs的性能和稳定性仍然落后于真空沉积金属电极的器件。一个关键挑战是在新兴的非富勒烯活性层和溶液处理的顶部电极之间，缺乏稳定且高性能的可印刷空穴传输层（HTL）。一个合格的可印刷HTL必须能够在电气上传输/收集空穴，同时必须在处理方面与其他层兼容。其中，聚3, 4-乙烯二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT: PSS）是一种经典的导电聚合物，具有高导电性、光学透明性和易于涂覆的优点，广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现出强酸性，会降低器件的效率和稳定性。

其中，PEDOT:PSS由水加工而成，湿气被认为是器件退化的主要原因之一。据报道，除界面外，水还可以渗透到有机半导体薄膜中的纳米空隙中，具有吸收的水分子的纳米空隙被认为通过在水和聚合物链之间形成氢键，从而局部改变链的构象，或通过来自水吸收的纳米空隙的介电效应而引起电荷载流子陷阱。这些酸度、水分和去湿问题会影响器件的效率和稳定性。此外，乙醇和甲醇的表面张力较低，为22-23 mN m^-1，可实现良好的润湿性。因此，很有希望开发由醇加工而成的PEDOT制剂以避免这些问题。

【成果掠影】

在此，华中滚球体育 大学周印华教授等人通过采用全氟磺酸（PFSA）离子聚合物（PFSI）作为抗衡离子替代PSS抗衡离子，制备了一种醇相分散的导电聚合物配方PEDOT:F。其中，PFSA离聚体被广泛用作电化学技术中的固态电解质，特别是聚合物电解质燃料电池中的质子交换膜和氯碱工业中的钠离子导体。它们还被用作水性 PEDOT分散体中的添加剂或抗衡离子，以增加功函数和改善空穴注入或收集。在那些水基配方中，酸性、水分和去湿的缺点仍然存在。

本文利用PFSA离聚体具有两个溶解度参数的特殊优势，可以分散在水或醇中，从而使得能够制备分散在醇中的PEDOT:F。同时，醇分散制剂具有良好的润湿性和低酸度，避免了PEDOT:PSS中固有的缺点。基于PEDOT:F获得了完全可印刷的有机光伏材料（从底部电极到顶部电极），其功率转换效率为15%，在最大功率连续光照1330小时下，可保持83%的初始效率。令人鼓舞的是，PEDOT:F可以非常有效地从最近出现的高性能非富勒烯有机光伏活性层中收集空穴，并有助于实现具有高性能和良好运行稳定性的全涂覆有机太阳能电池。

相关研究成果以“An alcohol-dispersed conducting polymer complex for fully printable organic solar cells with improved stability”为题发表在Nature Energy上。其中，审稿人认为：“这项工作是有机太阳能电池发展的一个突破，使全印刷的电池成为可能。此外，相信PEDOT:F还可以用于其他溶液处理的光电器件，尤其是在需要高功函数的情况下”。同时，Nature Energy编辑评价到：“这项工作之所以引人注目，是因为它完成了开发有机光伏中常用的电荷传输材料的醇分散配方的艰巨任务。这项创新开启了全印刷太阳能电池的制造，不仅具有高效率，而且还提高了稳定性”

【核心创新点】

1.本文制备了PEDOT:F的醇分散导电聚合物配方，并使用 PEDOT:F作为HTL制造了高性能全涂层有机太阳能电池；

2.基于PEDOT:F获得了完全可印刷的有机光伏材料，其功率转换效率为15%，在最大功率连续光照1330小时下，可保持83%的初始效率。

【数据概览】

图一、聚合物抗衡离子在水和醇中的溶解

（a）PEDOT和PFSA离聚体的化学结构和PEDOT:F的示意图；

（b） PSS和PFSA在水和乙醇中的溶解情况。

图二、基于醇的PEDOT:F与传统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有机活性层上的接触角；

（b）PEDOT:F和PEDOT:PSS薄膜浸入水中不同时间的图片；

（c）ZnO膜在PEDOT：PSS和醇分散PEDOT：F前后的吸收光谱；

（d）具有不同抗离子比的PEDOT:F薄膜和PEDOT:PSS参考薄膜的功函数。

图三、醇分散PEDOT:F在OSCs中应用的普适性

（a）用于OSC的聚合物供体和受体的化学结构；

（b）分别使用蒸发的MoO₃和PEDOT:F作为HTL具有不同活性层OSCs的PCE；

（c）分别具有表面活性剂的PEDOT:F、PEDOT:PSS和蒸发的MoO₃作为HTL的OSCs的电流密度-电压（J-V）特征；

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

图四、具有 PEDOT:F HTL的全印刷OSCs的性能

（a）全印刷的OSCs的设备结构；

（b）具有PM6:PC₇₁BM:Y6活性层和PEDOT:F HTL的小面积全覆盖OSC的J-V特征；

（c）具有PEDOT:F HTL和PEDOT:PSS HTL的全覆盖OSC在MPP 跟踪下的长运行稳定性；

（d）使用PEDOT:F HTL具有七个子电池的大面积全覆盖模块的图片；

（e）具有1到7个子电池的全覆盖模块的J-V特征；

（f）本文的结果和文献中报道的全覆盖OSCs的效率对比。

【成果启示】

综上所述，本文制备了PEDOT:F的醇分散导电聚合物配方，并使用 PEDOT:F作为HTL制造了高性能全涂层有机太阳能电池。通过使用PFSA离聚体作为抗衡离子来替代传统的PSS抗衡离子制备醇分散的PEDOT:F。值得注意的是，PFSA离聚体具有两个溶解度参数的特殊优势，从而能够制备分散在醇中的PEDOT:F。同时，醇分散PEDOT:F配方避免了传统水分散PEDOT:PSS配方长期存在的酸性、水分和去湿性缺点，这些缺点是导致器件性能和稳定性差的关键因素。

文献链接：“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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