2023-01-11 | 科研部 南科大邓巍巍团队直写打印有机光伏合金电极

近日，南方科技大学力学与航空航天工程系教授邓巍巍团队实现了低熔点合金作为有机光伏电池顶电极的打印，相关研究成果在Advanced Optical Materials上发表，题为“Printing of Low-Melting-Point Alloy as Top Electrode for Organic Solar Cells”。

有机光伏电池是新一代可再生能源，其最受关注的优点是轻、薄，以及通过溶液法实现低成本连续印刷制造的潜力。当前，有机光伏电池顶电极的主流制备方式是真空蒸镀，在进出真空腔时要经历繁琐耗时的抽放气过程，已经成为阻碍全印刷制备有机光伏电池发展的瓶颈。如何实现有机光伏电池顶电极的可连续打印制备，是产业化进程面临的关键挑战之一。

低熔点合金具有许多适合作为有机光伏电池顶电极的优点：功函数低、电导率高、无需高温烧结、在熔融状态下可用打印方法制备。熔点为62 ℃的菲尔德合金（Field's metal： 32.5%铋，51%铟，16.5%锡）在阳光照射下可保持固态，熔融温度对有机光伏材料无损伤，且不含铅等有毒元素，因此是理想的有机光伏电池电极材料。邓巍巍教授团队设计了直写菲尔德合金的打印装置，研究了打印过程中的关键流体力学问题，获得了非蒸镀电极有机光伏电池的最高效率。

团队使用的打印技术为常见的熔融沉积打印法（图1a）。打印装置包括一个包裹在注射器周围的恒温加热系统，可以使合金处在熔融状态；注射器推杆由步进电机驱动，通过控制程序实现与基台的x-y-z方向联动，实现精密的熔融态合金的挤出和拖拽（即“打印”）。

图1

团队发现，打印头与基板之间的距离（打印间距）对打印结果有重要影响。打印间距的一个临界值与熔融合金毛细尺度密切相关，并使熔融沉积打印法实现两种不同的打印模式：打印间距与毛细尺度相当时的拖动模式（也可称为远场模式）和打印间距远小于毛细尺度的剪切模式（或近场模式）。团队分别采用这两种打印模式打印电极（图1b），在基于D18:Y6活性材料的有机薄膜上（图1c），分别打印出棒状和薄片电极（图1d）。电池的最高效率达到16.44%，是当前文献报道的基于非真空蒸镀电极的有机光伏电池最高效率。

图2

在拖动模式下（图2a），当挤出速度与运动速度的比值较大时，出液量超过成型棍状电极所需的流量，形成一个个小串珠（蓝色区域）；挤出速度与运动速度比值很小时，挤出量不足以形成连续的电极，形成不连续的迹线（红色区域）；当这两个速度的比值在合适的范围（0.2-0.35），则形成均匀连续的棒状电极（绿色区域）。剪切模式打印的薄片电极横截面和俯视图如图2b所示。当打印间隙小于100微米时，可以形成连续的扁平薄片电极，且随着打印间隙的缩小，电极的宽厚比逐渐增大，更有利于节省电极材料。

该工作以简洁的打印方式代替真空蒸镀来制备顶电极，为有机光伏电池在常压环境连续制备提供了新的机理和方法。此外，该项工作所研究的直写打印低熔点合金作为电极，在有机半导体器件方面具有普适性，也适用于有机和量子发光二极管（OLED和QLED）等光电器件，可为印刷法制造高性能新型光电器件提供新的工艺方法和研究思路。

南科大2022级博士生于博洋和2020级硕士生刘霖娜为共同第一作者。南科大前沿与交叉科学研究院研究副教授赵新彦和力学与航空航天工程系教授邓巍巍为共同通讯作者。南科大是论文第一单位。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。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adom.202201977 

供稿：力学与航空航天工程系

通讯员：史露静

主图：丘妍

编辑：朱增光