交联PEDOT∶F空穴传输层提升柔性有机光伏电池性能的研究

doi:10.7503/cjcu20230069

摘要/Abstract

摘要：

银纳米线(AgNWs)顶电极是全溶液加工型有机太阳能电池(OSCs)的重要组成部分. 然而, 在涂布AgNWs乙醇溶液时, 对下层空穴传输层有一定洗脱损坏. 本文提出对空穴传输层聚(3,4-乙烯二氧噻吩)∶全氟磺酸离子聚合物(PEDOT∶F)进行交联, 以提升其抗溶剂渗透能力. 通过引入交联剂聚乙二醇二缩水甘油醚(PEGDE)实现了PEDOT∶F的交联, 相应小面积柔性器件的效率为14.86%. 进一步制备了21.18 cm²的柔性有机光伏模组, 其效率达到12.38%.

关键词: 空穴传输层, PEDOT∶F, 交联, 银纳米线, 柔性有机太阳能电池

Abstract:

Silver nanowires（AgNWs） are important printable top electrodes in flexible organic solar cells（OSCs）. However， when fabricating AgNWs from ethanol solution， it could cause damage on the hole-transporting layer below due to washing out. In this work， we propose a cross-linking strategy on the hole-transporting layer of poly（3，4-ethylenedioxythiophene）∶perfluorinated sulfonic acid ionomer（PEDOT∶F） to improve its alcohol resistance. By introducing a cross-linker of poly（ethylene glycol）diglycidyl ether（PEGDE）， PEDOT：F was successfully cross-linked. Based on the cross-linked PEDOT∶F hole-transporting layer， small-area flexible OSCs（0.041 cm²） showed power conversion efficiency of 14.86%. Flexible organic solar module（21.18 cm²） was then fabricated and an efficiency of 12.38% was achieved.

Key words: Hole-transporting layer, PEDOT∶F, Cross-linking, Silver nanowires, Flexible organic solar cell

中图分类号:

TM914

TrendMD:

韦晚霞, 周先敏, 董馨韵, 刘铁峰, 谢聪, 程靖宇, 陈建平, 陆鑫, 冯凯, 周印华. 交联PEDOT∶F空穴传输层提升柔性有机光伏电池性能的研究. 高等学校化学学报, 2023, 44(7): 20230069.

WEI Wanxia, ZHOU Xianmin, DONG Xinyun, LIU Tiefeng, XIE Cong, CHENG Jingyu, CHEN Jianping, LU Xin, FENG Kai, ZHOU Yinhua. Cross-linking PEDOT∶F Hole-transporting Layer to Enhance Photovoltaic Performance of Flexible Organic Solar Cells. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(7): 20230069.

图/表 4

Fig.1 Work function of PEDOT∶F films cross⁃linked with different concentration of PEGDE tested by Kelvin probe(KP)(A) and ultraviolet photoelectron spectroscopy(UPS)(B), electrical conductivity(C) of PEDOT∶F films cross⁃linked with different concentration of PEGDE, absorbance spectra of PEDOT∶F films(with and without 0.05% PEGDE) before and after 5 min immersion in ethanol(D)

Fig.2 XPS of S 2p (A), C1s core levels(B) tested on the PEDOT∶F films with(a) and without(b) 0.05% PEGDE

Fig.3 J⁃V characteristics(A) and EQE spectra(B) of the small⁃area top⁃illuminated OSCs with(a) and without(b) 0.05% PEGDE, J⁃V characteristics(C) and a picture(D) of the fabricated 21.18 cm2 flexible organic solar module

Table 1 Photovoltaic characteristics of the top-illuminated OSCs with the structure of Ag/PEI-Zn/PM6:BTP-eC9∶PC71BM/PEDOT∶F or c-PEDOT∶F/AgNWs

Cell	Area（substrate）/cm²	V $O C a$ /V	J $S C b$ /（mA·cm^‒2）	J $c a l c$ /（mA·cm^‒2）	FF ^d	PCE ^e （%）
OSCs without 0.05% PEGDE	0.041（glass）	0.79±0.01（0.80）	22.44±1.26（23.81）	23.90	0.70±0.03（0.72）	12.50±1.02（13.71）
OSCs with 0.05% PEGDE	0.041（glass）	0.83±0.01（0.83）	24.29±0.42（24.87）	25.25	0.72±0.01（0.72）	14.58±0.23（14.86）
	1（PET）	0.81±0.01（0.81）	24.28±1.36（24.64）	24.37	0.71±0.01（0.72）	13.93±0.86（14.26）
	21.18（PET）	5.74	3.06	—	0.71	12.38

Table 1 Photovoltaic characteristics of the top-illuminated OSCs with the structure of Ag/PEI-Zn/PM6:BTP-eC9∶PC71BM/PEDOT∶F or c-PEDOT∶F/AgNWs

Cell	Area（substrate）/cm²	V $O C a$ /V	J $S C b$ /（mA·cm^‒2）	J $c a l c$ /（mA·cm^‒2）	FF ^d	PCE ^e （%）
OSCs without 0.05% PEGDE	0.041（glass）	0.79±0.01（0.80）	22.44±1.26（23.81）	23.90	0.70±0.03（0.72）	12.50±1.02（13.71）
OSCs with 0.05% PEGDE	0.041（glass）	0.83±0.01（0.83）	24.29±0.42（24.87）	25.25	0.72±0.01（0.72）	14.58±0.23（14.86）
	1（PET）	0.81±0.01（0.81）	24.28±1.36（24.64）	24.37	0.71±0.01（0.72）	13.93±0.86（14.26）
	21.18（PET）	5.74	3.06	—	0.71	12.38

参考文献 32

1	Liu Y.， Liu B.， Ma C. Q.， Huang F.， Feng G.， Chen H.， Hou J.， Yan L.， Wei Q.， Luo Q.， Bao Q.， Ma W.， Liu W.， Li W.， Wan X.， Hu X.， Han Y.， Li Y.， Zhou Y.， Zou Y.， Chen Y.， Liu Y.， Meng L.， Li Y.， Chen Y.， Tang Z.， Hu Z.， Zhang Z. G.， Bo Z.， Sci. Chi. Chem.， 2022， 65， 224
2	Jiang P.， Hu L.， Sun L.， Li Z. A.， Han H.， Zhou Y.， Chem. Sci.， 2022， 13， 4714—4739
3	Zheng Z.， Wang J.， Bi P.， Ren J.， Wang Y.， Yang Y.， Liu X.， Zhang S.， Hou J.， Joule， 2022， 6， 171—184
4	Meng L.， Zhang Y.， Wan X.， Li C.， Zhang X.， Wang Y.， Ke X.， Xiao Z.， Ding L.， Xia R.， Yip H. L.， Cao Y.， Chen Y.， Science， 2018， 361， 1094
5	Huang K. M.， Lin C. M.， Chen S. H.， Li C. S.， Hu C. H.， Zhang Y.， Meng H. F.， Chang C. Y.， Chao Y. C.， Zan H. W.， Huo L.， Yu P.， Sol. RRL， 2019， 3， 1900071
6	Kim J. Y.， Lee K.， Coates N. E.， Moses D.， Nguyen T. Q.， Dante M.， Heeger A. J.， Science， 2007， 317， 222
7	Qin F.， Sun L.， Chen H.， Liu Y.， Lu X.， Wang W.， Liu T.， Dong X.， Jiang P.， Jiang Y.， Wang L.， Zhou Y.， Adv. Mater.， 2021， 33， 2103017
8	Sun L.， Zeng W.， Xie C.， Hu L.， Dong X.， Qin F.， Wang W.， Liu T.， Jiang X.， Jiang Y.， Zhou Y.， Adv. Mater.， 2020， 32， 1907840
9	Qin F.， Wang W.， Sun L.， Jiang X.， Hu L.， Xiong S.， Liu T.， Dong X.， Li J.， Jiang Y.， Hou J.， Fukuda K.， Someya T.， Zhou Y.， Nat. Commun.， 2020， 11， 4508
10	Xie C.， Liu Y.， Wei W.， Zhou Y.， Adv. Funct. Mater.， 2023， 33， 2210675
11	Zheng X.， Zuo L.， Zhao F.， Li Y.， Chen T.， Shan S.， Yan K.， Pan Y.， Xu B.， Li C. Z.， Shi M.， Hou J.， Chen H.， Adv. Mater.， 2022， 34， 2200044
12	Chen Y.， Wan J.， Xu G.， Wu X.， Li X.， Shen Y.， Yang F.， Ou X.， Li Y.， Li Y.， Sci. Chi. Chem.， 2022， 65， 1164—1172
13	Dong X.， Shi P.， Sun L.， Li J.， Qin F.， Xiong S.， Liu T.， Jiang X.， Zhou Y.， J. Mater. Chem. A， 2019， 7， 1989—1995
14	Koo D.， Jung S.， Seo J.， Jeong G.， Choi Y.， Lee J.， Lee S. M.， Cho Y.， Jeong M.， Lee J.， Oh J.， Yang C.， Park H.， Joule， 2020， 4， 1021—1034
15	Wang W.， Qin F.， Jiang X.， Zhu X.， Hu L.， Xie C.， Sun L.， Zeng W.， Zhou Y.， Org. Electron.， 2020， 87， 105954
16	Wei W.， Dong X.， Zhou X.， Lu X.， Liu Y.， Chen J.， Xie C.， Zhou Y.， Adv. Mater. Interfaces， 2022， 9， 2201427
17	Chen Z.， Song W.， Yu K.， Ge J.， Zhang J.， Xie L.， Peng R.， Ge Z.， Joule， 2021， 5， 2395—2407
18	Qu T. Y.， Zuo L. J.， Chen J. D.， Shi X.， Zhang T.， Li L.， Shen K. C.， Ren H.， Wang S.， Xie F. M.， Li Y. Q.， Jen A. K. Y.， Tang J. X.， Adv. Opt. Mater.， 2020， 8， 2000669
19	Tam K. C.， Kubis P.， Maisch P.， Brabec C. J.， Egelhaaf H. J.， Prog. Photovolt： Res. Appl.， 2022， 30， 528—542
20	Maisch P.， Tam K. C.， Schilinsky P.， Egelhaaf H. J.， Brabec C. J.， Sol. RRL， 2018， 2， 1800005
21	Berny S.， Blouin N.， Distler A.， Egelhaaf H. J.， Krompiec M.， Lohr A.， Lozman O. R.， Morse G. E.， Nanson L.， Pron A.， Sauermann T.， Seidler N.， Tierney， Tiwana S. P.， Wagner M.， Wilson H.， Adv. Sci.， 2016， 3， 1500342
22	Fang Y.， Wu Z.， Li J.， Jiang F.， Zhang K.， Zhang Y.， Zhou Y.， Zhou J.， Hu B.， Adv. Funct. Mater.， 2018， 28， 1705409
23	Jiang Y.， Dong X.， Sun L.， Liu T.， Qin F.， Xie C.， Jiang P.， Hu L.， Lu X.， Zhou X.， Meng W.， Li N.， Brabec C. J.， Zhou Y.， Nat. Energy， 2022， 7， 352—359
24	Rodríguez⁃Martínez X.， Riera⁃Galindo S.， Cong J.， Österberg T.， Campoy⁃Quiles M.， Inganäs O.， J. Mater. Chem. A， 2022， 10， 10768—10779
25	Liu C.， Du X.， Gao S.， Classen A.， Osvet A.， He Y.， Mayrhofer K.， Li N.， Brabec C. J.， Adv. Energy Mater.， 2020， 10， 1903800
26	Solazzo M.， Krukiewicz K.， Zhussupbekova A.， Fleischer K.， Biggs M. J.， Monaghan M. G.， J. Mater. Chem. B， 2019， 7， 4811—4820
27	Stavrinidou E.， Leleux P.， Rajaona H.， Khodagholy D.， Rivnay J.， Lindau M.， Sanaur S.， Malliaras G. G.， Adv. Mater.， 2013， 25， 4488—4493
28	Håkansson A.， Han S.， Wang S.， Lu J.， Braun S.， Fahlman M.， Berggren M.， Crispin X.， Fabiano S.， J. Polym. Sci. B： Polym. Phys.， 2017， 55， 814—820
29	Greczynski G.， Kugler T.， Keil M.， Osikowicz W.， Fahlman M.， Salaneck W. R.， J. Electron Specrtosc.， 2001， 121， 1—17
30	Liu T.， Sun L.， Dong X.， Jiang Y.， Wang W.， Xie C.， Zeng W.， Liu Y.， Qin F.， Hu L.， Zhou Y.， Adv. Funct. Mater.， 2021， 31， 2107250
31	Fang W.， Wang S.， Liebens A.， De Campo F.， Xu H.， Shen W.， Pera⁃Titus M.， Clacens J. M.， Catal. Sci. Technol.， 2015， 5， 3980—3990
32	Mao L.， Luo B.， Sun L.， Xiong S.， Fan J.， Qin F.， Hu L.， Jiang Y.， Li Z.， Zhou Y.， Mater. Horiz.， 2018， 5， 123—130

[1]	黄益, 吕玲玲, 潘小鹏, 孙广东, 李永强, 姚菊明, 邵建中. 光交联自支撑丝素蛋白水凝胶的三维快速成型[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(4): 20210841.
[2]	张诗昱, 何润合, 李永兵, 魏士俊, 张兴祥. 辐照交联制备低分子量聚丙烯腈纤维锂硫电池正极材料及其储硫机理[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(3): 20210632.
[3]	曹凯悦, 彭金武, 李宏斌, 石埕荧, 王鹏, 刘佰军. 基于聚苯并咪唑/超支化聚合物的交联共混体系的高温质子交换膜[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 2049.
[4]	丁嘉乐, 金兰, 崔增多, 张海博, 张云鹤, 姜振华. 具有双交联网络结构的纳米复合材料的制备及介电性能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 2015.
[5]	蒲阳阳, 宁聪, 陆瑶, 刘莉莉, 李娜, 胡朝霞, 陈守文. 新型共混交联磺化聚醚醚酮/部分氟化磺化聚芳醚砜质子交换膜的制备与表征[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 2002.
[6]	方基永, 姜振华, 岳喜贵. 聚芳醚酮基复合吸波材料的制备及性能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 1994.
[7]	刘铁峰, 张奔, 盛欧微, 佴建威, 王垚, 刘育京, 陶新永. 硅负极黏结剂的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(5): 1446.
[8]	张淼, 彭金磊, 刘映, 刘芳君, 马伟, 魏华. 多价环状模板法合成交联胶束和类环胶体[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(11): 3526.
[9]	计天溢, 刘晓旭, 赵九蓬, 李垚. 三维交联石墨烯纳米纤维的合成及储锂性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(4): 821.
[10]	闫铭,周炜东,张鸿,石军峰,赵云鹤,叶泳铭,郭静,于跃. PVA微晶交联和SA/PAA双网络协效增强增韧SA纤维[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(2): 349.
[11]	梁敏慧, 王鹏, 李宏斌, 李天洋, 曹凯悦, 彭金武, 刘振超, 刘佰军. 基于半互穿聚合物网络的高温质子交换膜的制备[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(12): 2845.
[12]	王星火,汤钧,杨英威. 由聚合物门控的介孔二氧化硅基刺激响应性药物递送系统[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(1): 28.
[13]	文静, 徐志民, 齐德胜, 王佳玉, 于双江, 贺超良, 韩冰. PLG-g-TA/RGD酶催化交联水凝胶用于透明软骨细胞黏附和三维细胞培养[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(9): 2020.
[14]	任小蕊, 刘超, 李欢欢, 杨景帅, 何荣桓. 硅氧烷交联的咪唑基团功能化聚苯醚/聚四氟乙烯耐高温质子交换膜[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(5): 1089.
[15]	陈宇涵, 黄雪红. 自交联型磺化聚醚醚酮质子交换膜的合成[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(2): 410.