柔性電子領域快速發(fā)展，在生物/醫(yī)療傳感及通訊、可穿戴電子設備等新興領域應用前景廣闊。相應地，對于與之相匹配的柔性、可拉伸形變的能源供給器件有重要需求。有機光伏電池依托有機高分子活性層，與晶體硅、碲化鎘薄膜等半導體相比，在機械柔性方面有先天優(yōu)勢。然而，超薄有機太陽能電池在微米彎曲半徑下的連續(xù)變形循環(huán)過程中的機械耐久性仍然是一個挑戰(zhàn)。為了得到機械性能穩(wěn)定的超薄有機太陽能電池，需要器件各功能層包括電極、界面層和活性層都具有優(yōu)異的機械性能。
最近，華中科技大學光電國家研究中心周印華教授課題組，開發(fā)了一種聚合物、金屬離子配位的陰極界面層。他們從聚合物陰極修飾材料聚乙烯亞胺（PEI）出發(fā)，通過采用鋅離子進行配位，獲得了光電性能、機械性能均優(yōu)的電子傳輸層PEI-Zn?；诖私缑鎸硬牧?，在1.3微米的柔性基底PEN上，分別以PEDOT:PSS和AgNWs為底電極，以PBDB-T-2F:Y6為活性層，實現(xiàn)了效率為12.3%和15.0%的，整體厚度小于2微米的超薄有機太陽能電池。
該團隊前期的工作表明（Adv. Mater.?2019, 31, 1806616.?J. Mater. Chem. A?2018, 6, 2273.），常用的聚合物界面層聚乙烯亞胺（PEI）或其乙氧基化衍生物PEIE易與非富勒烯受體發(fā)生反應的。而鋅離子的配位，使PEI上胺基電子發(fā)生轉移，減弱了PEI 的界面反應活性，抑制了PEI與非富勒烯活性層的反應。通過調控PEI與鋅離子的比例，作者獲得了適合多種非富勒烯活性層的PEI-Zn條件。當Zn-N原子比超過4:1時，有機太陽能電池器件表現(xiàn)出優(yōu)異的光電轉換性能。另外，PEI-Zn繼承了聚合物PEI機械性能優(yōu)異的特點，與傳統(tǒng)的電子傳輸層ZnO相比，PEI-Zn能承受的最大彎曲應變是ZnO的兩倍。彎曲測試中可見ZnO表面的裂紋，而PEI-Zn表面則完好。
在實現(xiàn)的超薄有太陽能電池后，該團隊通過與預拉伸的彈性體相結合，測試了超薄器件的機械性能。研究發(fā)現(xiàn)，與ZnO相比，PEI-Zn作為電子傳輸層時，在不同的電極體系（ITO、AgNWs和PEDOT:PSS）都表現(xiàn)出了更優(yōu)的機械性能，這也主要得益于它本身良好的機械耐受性。當聚合物PEDOT:PSS作為電極時，超薄器件在45%的皺縮形變下，彎曲100次，器件性能幾乎不變，展現(xiàn)了優(yōu)異的機械性能。最后，該團隊將超薄器件貼附在手指關節(jié)，在手指彎曲伸展過程中顯示出可逆的電流輸出。
該團隊進一步介紹，PEI-Zn材料同時具備優(yōu)異的光電性能、化學穩(wěn)定性和機械柔性，既能與多種印刷電極（包括AgNWs和PEDOT:PSS電極）相兼容，又能與非富勒烯活性層體系（PBDB-T-2F:IT-4F和PBDB-T-2F:Y6）相兼容，在柔性電子和印刷電子領域有重要意義。
相關工作以“Robustmetal ion-chelated polymer interfacial layer for ultraflexible non-fullereneorganic solar cells”為題發(fā)表在自然·通訊（Nature Communication, 2020,11, 4508.?）。華中科技大學光電國家研究中心的覃飛、王文、孫露露為論文的共同第一作者，通訊作者為華中科技大學周印華教授，論文合作者包括中國科學院化學研究所候劍輝研究員，以及日本東京大學的Takao Someya教授和日本理化所的Kenjiro Fukuda研究員。
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