有机太阳能电池在可再生能源方面具有重要潜力，是全球研究和产业界开发的热点。柔性有机太阳能电池（FOSCs）具有高比功率、柔性、可溶液加工等特点，适用于刚性器件难以胜任的场景，尤其是作为可穿戴、健康监测等柔性电子设备的供能模块。但是，目前柔性有机太阳能电池的光电转换效率（PCE）依然落后于刚性电池器件，其中高性能的柔性基底与柔性电极的匮乏是限制性能提升的关键。李韦伟教授团队针对柔性基底与柔性电极存在的关键科学与技术问题展开研究，在ACS Appl. Mater. Interfaces, Macromol. Rapid Commun., Chem. Eng. J., npj Flex. Electron.等期刊上发表了系列研究进展。
银纳米线（AgNWs）具有比拟于ITO的光电性能，并且柔性高、制备方法简单，兼容柔性太阳能电池的各种溶液加工方法，是柔性电极的最佳选择。但AgNWs存在一些问题限制了其在柔性光电器件中的大规模应用：（1）表面粗糙度高，均方根粗糙度可以高达300 nm，容易刺穿界面层与活性层，导致器件漏电甚至短路；（2）与基底的粘附性差，在受到机械形变时，很容易与基底剥离，导致器件性能下降甚至失效；（3）AgNWs稳定性较差，容易被氧化/硫化，导致电极电导率下降。
针对AgNWs的以上问题，李韦伟教授团队采用将AgNWs半嵌入透明聚酰亚胺（CPI）的策略，制备AgNWs@CPI柔性透明复合电极。所得复合电极均方根粗糙度(RMS)降低至0.32 nm，远低于AgNWs直径（约25 nm），表明AgNWs成功嵌入CPI基底；复合电极具有优异的热稳定性，直接将AgNWs旋涂于玻璃片表面的AgNWs /玻璃对照电极在180°C空气中加热10 min面电阻增加80%，而复合电极在250°C面电阻仅增加5.3%左右；此外，复合电极具有优异的机械弯折稳定性，在0.5 mm的弯曲半径下循环弯折5000次，面电阻增幅不超过3.5%，表明AgNWs与CPI基底具有强粘附性（ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 5699-5708）。
图1. AgNWs@CPI复合电极制备及性能表征。复合电极制备示意图（a），AFM形貌图（b），热稳定性（c），及机械弯折稳定性（d）。
CPI基底的力学、光学、热学及能耐溶剂性能对FOSCs的性能及使用稳定性具有很大影响。此外，制备半嵌入AgNWs@CPI复合电极对CPI基底还有一些特殊要求：（1）低温（<180°C）加工，如图1c所示，高温加工会导致AgNWs破坏，电极电阻迅速增大；（2）优异的耐溶剂性能，耐溶剂性是FOSCs实现大面积溶液加工的基本要求，同时，AgNWs嵌入CPI会产生大量界面，削弱复合电极的耐溶剂性，尤其是对于具有超薄基底（厚度小于10 μm）的超柔性OSCs影响极大。针对上述挑战，课题组在CPI的分子设计方面展开一系列研究工作，实现了高性能AgNWs@CPI复合电极的制备，并在提高FOSCs效率、稳定性及降低成本方面取得一些进展：（1）探究CPI分子量对基底力学、热学及耐溶剂性能的影响，得出适用于超薄FOSCs溶液加工的合适分子量范围，并详细探究了基底厚度对器件机械稳定性的影响（ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 5699-5708）；（2）在CPI中引入强氢键进行物理交联，以增强基底的力学、热学、耐溶剂性和紫外过滤性能（截止波长为376 nm）。所得超薄FOSCs具有优异的机械稳定性（0.5 mm超高曲率弯折半径下弯折1,000次，PCE下降<4%）和优异的UV光照稳定性（光照10 h后PCE没有明显下降）（Macromol. Rapid Commun. 2022, 2200432）。（3）采用ZnO纳米颗粒，通过表面羧基配体交换，制备强氢键和离子键共同交联的聚酰亚胺。该工作中CPI在空气气氛下使用普通溶剂（含有微量水）合成的，极大降低了合成难度、成本。相比未交联CPI，交联CPI的力学、热学、耐溶剂性和紫外过滤性能（截止波长为370 nm）大幅提升。所得超薄FOSCs具有优异的机械稳定性（1 mm的小弯曲半径下弯折4,000次，PCE保持初始值的95%以上）和优异的UV光稳定性（光照6 h后PCE仅下降∼3%）（Chem. Eng. J. 2023, 451, 138612）；（4）采用钛氧簇表面羧基配体交换策略，制备有机-无机杂化交联CPI。同时利用该配体交换策略，实现交联CPI的闭环全回收，并探究该材料用于制备柔性有机太阳能电池后的回收性能。结果表明该交联CPI在被制备成柔性有机太阳能电池后仍然具有可回收性（npj Flex. Electron. 2022, 6, 37）。
图2. CPI基底分子结构调控。
该系列工作第一作者均为北京化工大学硕博生，李韦伟教授与陈巧梅副教授为通讯作者，北京化工大学为第一完成单位。本工作得到了国家自然科学基金、北京市自然科学基金及中央高校基本科研业务费等项目的资助。
文章链接：
https://doi.org/10.1021/acsami.1c18866；
https://doi.org/10.1002/marc.202200432；
https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138612；
https://doi.org/10.1038/s41528-022-00166-8。