南科大鄧巍巍團(tuán)隊：直寫打印有機(jī)光伏合金電極！

來源：南方科技大學(xué)

有機(jī)光伏電池是新一代可再生能源，其最受關(guān)注的優(yōu)點是輕、薄，以及通過溶液法實現(xiàn)低成本連續(xù)印刷制造的潛力。當(dāng)前，有機(jī)光伏電池頂電極的主流制備方式是真空蒸鍍，在進(jìn)出真空腔時要經(jīng)歷繁瑣耗時的抽放氣過程，已經(jīng)成為阻礙全印刷制備有機(jī)光伏電池發(fā)展的瓶頸。如何實現(xiàn)有機(jī)光伏電池頂電極的可連續(xù)打印制備，是產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。低熔點合金具有許多適合作為有機(jī)光伏電池頂電極的優(yōu)點：功函數(shù)低、電導(dǎo)率高、無需高溫?zé)Y(jié)、在熔融狀態(tài)下可用打印方法制備。熔點為62 ℃的菲爾德合金（Field's metal：32.5%鉍，51%銦，16.5%錫）在陽光照射下可保持固態(tài)，熔融溫度對有機(jī)光伏材料無損傷，且不含鉛等有毒元素，因此是理想的有機(jī)光伏電池電極材料。

近日，南方科技大學(xué)力學(xué)與航空航天工程系教授鄧巍巍團(tuán)隊實現(xiàn)了低熔點合金作為有機(jī)光伏電池頂電極的打印。該團(tuán)隊設(shè)計了直寫菲爾德合金的打印裝置，研究了打印過程中的關(guān)鍵流體力學(xué)問題，獲得了非蒸鍍電極有機(jī)光伏電池的最高效率。相關(guān)研究成果以題為Printing of Low-Melting-Point Alloy as Top Electrode for Organic Solar Cells發(fā)表在Advanced Optical Materials上。南科大2022級博士生于博洋和2020級碩士生劉霖娜為共同第一作者。南科大前沿與交叉科學(xué)研究院研究副教授趙新彥和力學(xué)與航空航天工程系教授鄧巍巍為共同通訊作者。南科大是論文第一單位。

團(tuán)隊使用的打印技術(shù)為常見的熔融沉積打印法（圖1a）。打印裝置包括一個包裹在注射器周圍的恒溫加熱系統(tǒng)，可以使合金處在熔融狀態(tài)；注射器推桿由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，通過控制程序?qū)崿F(xiàn)與基臺的x-y-z方向聯(lián)動，實現(xiàn)精密的熔融態(tài)合金的擠出和拖拽（即“打印”）。

團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，打印頭與基板之間的距離（打印間距）對打印結(jié)果有重要影響。打印間距的一個臨界值與熔融合金毛細(xì)尺度密切相關(guān)，并使熔融沉積打印法實現(xiàn)兩種不同的打印模式：打印間距與毛細(xì)尺度相當(dāng)時的拖動模式（也可稱為遠(yuǎn)場模式）和打印間距遠(yuǎn)小于毛細(xì)尺度的剪切模式（或近場模式）。團(tuán)隊分別采用這兩種打印模式打印電極（圖1b），在基于D18:Y6活性材料的有機(jī)薄膜上（圖1c），分別打印出棒狀和薄片電極（圖1d）。電池的最高效率達(dá)到16.44%，是當(dāng)前文獻(xiàn)報道的基于非真空蒸鍍電極的有機(jī)光伏電池最高效率。

在拖動模式下（圖2a），當(dāng)擠出速度與運(yùn)動速度的比值較大時，出液量超過成型棍狀電極所需的流量，形成一個個小串珠（藍(lán)色區(qū)域）；擠出速度與運(yùn)動速度比值很小時，擠出量不足以形成連續(xù)的電極，形成不連續(xù)的跡線（紅色區(qū)域）；當(dāng)這兩個速度的比值在合適的范圍（0.2-0.35），則形成均勻連續(xù)的棒狀電極（綠色區(qū)域）。剪切模式打印的薄片電極橫截面和俯視圖如圖2b所示。當(dāng)打印間隙小于100微米時，可以形成連續(xù)的扁平薄片電極，且隨著打印間隙的縮小，電極的寬厚比逐漸增大，更有利于節(jié)省電極材料。

該工作以簡潔的打印方式代替真空蒸鍍來制備頂電極，為有機(jī)光伏電池在常壓環(huán)境連續(xù)制備提供了新的機(jī)理和方法。此外，該項工作所研究的直寫打印低熔點合金作為電極，在有機(jī)半導(dǎo)體器件方面具有普適性，也適用于有機(jī)和量子發(fā)光二極管（OLED和QLED）等光電器件，可為印刷法制造高性能新型光電器件提供新的工藝方法和研究思路。感謝國家自然科學(xué)基金和深圳市軟材料力學(xué)與智造重點實驗室的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adom.202201977