AFM：基于刮涂顶电极的全印刷有机光伏电池
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有机光伏电池（Organic photovoltaics, OPV）具有轻、薄、柔性、半透明、可溶液法印刷制备等优点，在便携式光伏电池及可柔性穿戴电子器件自供电方面展示出巨大的应用潜力。当前，真空蒸镀仍然是OPV顶电极的主流制备方式，该方法周期长、产率低、成本高，已经成为限制OPV卷对卷印刷的瓶颈。研究能够兼顾器件效率且适用于产业化生产的新型电极材料和制备工艺，对OPV的顶电极进行溶液法打印，进而实现OPV器件的全印刷制备，对推动OPV产业化进程具有重要意义。
菲尔德合金（Field’s Metal，FM）是一种低熔点（62 °C）合金，具有高电导率和适合作为OPV阴极的低功函数，且成膜过程只需要通过调节温度来实现液态到固态的相变，无需真空、不涉及溶剂蒸发，是理想的OPV顶电极材料。然而，由于低温合金表面张力大，将其打印成厚度与宽度可控的薄膜电极，仍然是一项具有挑战性的工作。南方科技大学邓巍巍教授团队采用柔性刮涂法，快速、便捷地刮涂制备菲尔德合金薄膜作为OPV器件顶电极，并在此基础上制备出高性能全印刷OPV器件（图1d）。论文以“Blade coating of alloy as top electrodes for efficient all-printed organic photovoltaics”为题，发表在Advanced Functional Materials上。
图1
柔性刮涂装置如图1a所示，所用柔性刮片为特氟龙薄片。使用柔性刮片刮涂（图 2a）可以保证刮涂过程中刮片和掩模的紧密接触，避免熔融合金的泄露。钨片加工的掩模版用来限制薄膜的宽度和厚度。刮涂过程中基板温度保持在68 °C，使FM处于熔融状态。通过三维移动平台控制刮片的移动速度和下压力进行刮涂。
图 2
研究了柔性刮涂合金过程中的流体力学和材料力学问题，沿与刮涂方向平行（图 2b）和垂直（图 2c）方向分别对刮片进行了受力分析。在平行方向，刮片和掩模开口部分形成连通器，刮涂前端的熔融合金在重力的作用下回流，与氧化膜的表面张力达到平衡，从而形成厚度大于掩模厚度的薄膜。在垂直方向，随着下压距离Δz的增加，刮片的分布载荷呈线性增加（图 2e），且弯曲程度增大（图 2d）。为避免刮片弯曲触碰基底损坏有机层，最大挠度应小于掩膜厚度。图2g、h、i分别显示了分布载荷、掩模宽度和刮涂速度对低温合金薄膜厚度的影响。可根据实际需要调整掩模宽度、下压力和刮涂速度，从而获得厚度合适的电极。
图 3
基于D18:Y6活性层体系，在旋涂了有机层薄膜的基片上刮涂菲尔德合金顶电极，光电转换效率达到17.28%（图3a）。基于PM6:Y6活性层体系的全印刷OPV器件，采用刮涂菲尔德合金顶电极，其他有机层均采用柔性微梳刷涂制备，光电转换效率达到16.07%，为目前报道的全印刷OPV最高效率（图3b）。此外，刮涂合金电极器件比蒸镀银电极的器件具有更好的热稳定性和空气稳定性（图3c和d）。在光照和加热120 h后（图3e），银电极边缘明显变得模糊，颜色变成黑褐色。这表明银电极发生氧化变质，导致器件性能的退化。然而，菲尔德合金电极在光照和加热120 h后，边缘仍然清晰，且颜色没有发生变化，说明菲尔德合金电极没有发生变质。因此，菲尔德合金电极能有效提高全印刷有机光伏器件在光照和高温条件下的稳定性。
南方科技大学为本文的第一单位和通讯单位。力学与航空航天工程系邓巍巍教授和前沿与交叉科学研究院赵新彦研究副教授为共同通讯作者。2020级硕士生刘霖娜和2022级博士生于博洋为共同第一作者，2022级硕士生康梁钰淇为共同作者。该研究获得了国家自然科学基金和深圳市软材料力学与智造重点实验室的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202214781
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