唐正课题组在有机光伏技术领域 取得系列研究成果

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近日，东华大学先进低维材料中心特聘研究员唐正课题组在有机光伏器件领域取得进展，相关研究成果刊于《自然-通讯》，题为“A Transparent Electrode Based on Solution-Processed ZnO for Organic Optoelectronic Devices”（一种可用于有机光电器件的氧化锌透明电极材料）（Nat. Commun. 2022, 13, 4387）。该论文第一作者为东华大学硕士生陈志，共一作者为汪洁，第一单位为东华大学先进低维材料中心、纤维材料改性国家重点实验室、材料科学与工程学院。
        该论文为唐正课题组近一年内在《自然-通讯》发表的第二篇有机光伏技术相关论文。在前期工作中（Nat. Commun. 2021, 12, 6679），课题组通过研究有机光伏器件工作机理，找到了降低器件电压损失的实验方法，而本项研究则聚焦器件加工工艺，展示了一种全新的溶液制备的透明导电薄膜材料，明确了薄膜导电机制，并通过使用该薄膜材料作有机光伏器件的阴极，实现了器件的去ITO发展，为促进有机光伏技术的市场化方向的发展提供了新的思路。
        有机光伏器件的透明电极材料主要是氧化铟锡(ITO)，而铟元素是稀有元素，因此，ITO的使用会大幅提高有机光伏器件的制造成本，严重阻碍有机光伏技术的市场化发展。目前常见的，用于替代ITO的透明导电材料有PEDOT:PSS，金属纳米线，掺杂金属氧化物等。然而，这些材料一般在近红外波段具有较强的吸收系数，因此，基于这些透明导电材料的有机光伏器件在近红外波段存在较高的量子效率损失。非刻意掺杂过的金属氧化物半导体材料，如溶胶凝胶法制备的氧化锌（ZnO）薄膜材料，一般在近红外波段具有较高的光学透过率，但是这类材料的导电率过低，因此，无法被用作有机光伏器件的透明电极薄膜。因此，开发性能更为优异的，可以用于替代有机光伏器件中的ITO的透明导电材料对于有机光伏器件市场化发展极为重要。

图1. 逐层沉积法制备多层ZnO透明电极薄膜示意图。

         东华大学唐正课题组与苏黎世应用科技大学的Wolfgang Tress教授合作，通过多次沉积法及紫外光掺杂效应，大幅提高了溶胶凝胶法制备的ZnO薄膜的导电率（高至460 S cm-1），并成功将其用于构建有机光伏器件，实现了免ITO有机光伏器件性能的突破。

图2. 多层ZnO电极的导电率，薄膜光学吸收系数，及光学透过率。

         在该研究工作中，论文作者首先是通过显微，光谱学表征手段，明确了溶胶凝胶法制备的ZnO薄膜在紫外光掺杂作用下的导电率提升源自ZnO晶体中的氧空位对光生空穴的捕获作用。随后，作者推断氧空位的形成局限于ZnO晶体的表界面处，因此，通过设计如图1所示的多次沉积工艺，制备多层ZnO薄膜，提升了ZnO薄膜中的氧空位浓度，在维持了ZnO的高透过率的前提下，提高了ZnO薄膜的紫外光掺杂效果，以及ZnO在光掺杂后的导电率（图2）。

图3. 基于多层ZnO的有机光伏器件的结构示意图及器件基本性能表征结果。

         最终，作者将多层ZnO用作透明电极构建了有机光伏器件。测试结果显示，得益于多层ZnO电极的高导电率以及高光学透过性，基于ZnO的有机光伏器件展现出了优异的，可媲美基于ITO的有机光伏器件的光电转换性能（图3）。此外，作者还将多层ZnO电极用于构建有机光探测器及发光二极管等其他光电器件，并实现了器件性能的突破。
        综上，论文作者开发了一种基于溶液加工ZnO的，具有高导电率和高光学透过率的透明导电薄膜，明确了该薄膜材料的导电机制，并构建了基于该材料的有机光电器件，为提高免ITO有机光伏器件的性能提供了新的思路。该研究工作获东华大学、国家自然科学基金以及上海市科委的资助。
        先进低维材料中心目前正在积极建设六大研究平台，对接国际学术前沿和国家重大需求开展科技攻关。其中，“智能有机光电研究平台”，立足学校“新型纤维材料”“先进纺织智能制造技术”特色研究领域，专注于“有机近红外光探测器”和“有机光伏电池”等基础应用研究。


        文章来源：东华大学
        唐正，博士生导师，东华大学先进低维材料中心特聘研究员。1984年9月生。2007年本科毕业于北京科技大学材料物理专业。2014年2月于瑞典林雪平大学应用物理系获博士学位。曾任瑞典林雪平大学博士后，助理教授（2014.2-2016.2），德国德累斯顿工业大学应用光物理系洪堡学者（2016.2-2017.12）。2017年12月份加入东华大学先进低维材料中心。主要研究方向包括低维、有机、有机无机杂化光电子器件材料，工艺与器件物理。研究内容涉及薄膜印刷制备方法，光电子技术基础，及光电子器件在能源、照明与显示、通讯与传感等方向的应用。到目前为止，发表学术论文总计30篇，总被引次数700余次。以第一或通信作者发表论文11篇，包括Adv. Mater.（3篇）， Adv. Energy. Mater.（3篇）， Mater. Today（1篇）， J. Mater. Chem. A（2篇）, 以及Macromolecules（1篇）和Phys. Chem. Chem. Phys.（1篇）。