苏州纳米所马昌期团队：凹印大面积ZnO薄膜的宏观/微观形貌调控实现高性能柔性有机太阳能电池

1.亮点

1. 提出了引入PVP并结合混合溶剂的策略，有效地调控了纳米ZnO颗粒墨水的挥发速度和粘度等流变性能，解决了凹印ZnO薄膜存在的丝线和ZnO纳米颗粒堆积致密性差的问题，凹版印刷制备了大面积（23×9 cm2）均匀和光电性能优异ZnO:PVP薄膜。

2. 制备的1cm2的柔性有机太阳能电池器件效率达到了17.07%为目前文献报道最高值。

2.研究背景

有机太阳能电池由于具有柔性、轻质、无毒、高效、与卷对卷溶液法兼容等优势，在光伏建筑一体化、室内光伏、可穿戴电子和便携式能源中具有巨大的应用潜能，受到了人们广泛的关注。凹版印刷由于具有可二维图案化和高速制备等优势，是实现柔性有机太阳能电池大面积加工的高效方法。ZnO纳米颗粒墨水由于具有高的电子迁移率、高的透过率、低功函和可溶液法低温制备等优势，被广泛作为大面积印刷的电子传输层材料。然而ZnO墨水的流变性能较差，导致凹版印刷ZnO薄膜存在宏观不均匀和微观致密性差的问题，不能满足高性能电池使用需求。

3.文章简读

本文提出了引入PVP添加剂，并结合混合溶剂的策略，有效地调控了ZnO墨水的流变性能，解决凹印ZnO薄膜存在的宏观不均匀和微观致密性差的问题。通过调控墨水的挥发速度操控墨滴的融合流平过程，解决了凹印ZnO薄膜的丝线问题。通过引入PVP明显地提高了墨水的粘度且增强了与AgNW之间的相互作用，显著提高了凹印ZnO薄膜的微观致密性。通过这个方法，我们制备了大面积（23×9 cm2）均匀、致密和光电性能优异的ZnO:PVP薄膜。通过利用PM6:Y6和PM6:L8-BO的活性层材料体系制备了1cm2的柔性有机太阳能电池，分别获得了14.34%和17.07%的器件效率。其中17.07%的器件效率为目前文献报道1cm2柔性有机太阳能电池的最高值。引入PVP的策略也显著提高了ZnO墨水的印刷窗口，确保了厚度在30~100 nm范围内都能获得高质量的凹印ZnO薄膜。

4.图文赏析

图1（a）在凹印银线电极上凹版印刷制备ZnO薄膜的示意图。插图：（ⅰ）刮刀将墨水填入凹版网穴中；（ⅱ）墨水从凹版网穴中转移到基材上；（ⅲ）墨滴在基材上融合、流平和干燥成膜。（b）凹版印刷氧化锌墨水墨滴融合和流平的机理图。

图2（a）ZnO:PVP薄膜和AgNW/ZnO:PVP薄膜中N 1s的XPS谱图；（b）PVP薄膜和AgNW/PVP薄膜中

图3（a）柔性有机太阳能电池器件的结构示意图和活性层给体材料PM6和受体材料Y6的分子结构式；（b）氧化锌墨水中PVP的浓度对有机太阳能电池的J-V曲线；不同ZnO浓度的（c）凹印ZnO和（d）凹印ZnO:PVP器件的J-V曲线；（e-f）不同ZnO浓度的在凹印银线电极上凹印ZnO薄膜的SEM图；（g）在凹印银线电极上凹印ZnO:PVP薄膜的SEM图；（h-k）凹版印刷ZnO:PVP薄膜的SEM断面图。

图4（a）在凹印银线电极上凹印ZnO:PVP薄膜（23×9 cm2）和旋涂ZnO:PVP薄膜（4×5 cm2）的光学照片；（b）凹印PET/AgNW/ZnO:PVP薄膜卷曲的光学照片；（c）基于凹印ZnO:PVP薄膜和旋涂ZnO:PVP薄膜的1 cm2的柔性器件效率的统计分布图；（d）基于凹印ZnO:PVP薄膜和旋涂ZnO:PVP薄膜的1 cm2的柔性器件的J-V曲线；（e）近些年1cm2柔性有机太阳电池效率的发展历程；（f）1 cm2 PM6:L8-BO柔性器件在氮气手套箱中的存储稳定性。

5.文献详情及链接

参考文献：Zhenguo Wang, Jingbo Guo, Yaqin Pan, Jin Fang, Chao Gong, Lixin Mo, Qun Luo*, Jian Lin*, and Changqi Ma*, Manipulating the Macroscopic and Microscopic Morphology of Large-Area Gravure-Printed ZnO Films for High-Performance Flexible Organic Solar Cells. Energy Environ. Mater. 2023, 0, e12592. DOI: 10.1002/eem2.12592

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/eem2.12592?utm_medium=display&utm_source=xmol&utm_campaign=R2R345C&utm_content=DA20_Xmol_Journal_article_campaign_2_RM-CHINA_AGT_R2R345C_display_eem212592

6.作者简介

论文通讯作者介绍：

骆群，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，研究员，博士生导师。2006年毕业于郑州大学，获工学学士学位。2011年毕业于浙江大学，获工学博士学位。2011年1月至7月于法国雷恩一大化学系进行联合培养交流。2011年11月加入中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所从事博士后研究工作，2023年1月起任研究员。自2011年起一直从事柔性印刷薄膜太阳能电池相关的电子墨水开发以及界面工程相关研究工作，迄今为止在Adv. Mater, Natl. Sci. Rev, ACS Nano等期刊发表SCI论文100余篇，作为项目负责人和学术骨干先后主持和参与项目十余项。

林剑，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，副研究员，硕士生导师，2003年6月毕业于东南大学化学化工系化学工程与工艺专业，获工学学士学位。同年9月进入中科院长春应用化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室硕博连读，并于2008年7月获得博士学位。同年8月至2009年年底在芬兰奥博学术大学（Åbo Akademi University）进行博士后研究。2010年1月份回国参加中国科学院苏州纳米研究所印刷电子技术研究中心的筹建工作。研究兴趣主要集中在基于印刷技术的新型电子器件领域。包括印刷电子过程中的工艺控制、金属纳米线的精确印刷成膜及应用、聚合物铁电材料的印刷成膜及应用、柔性和可延展功能电路集成等，已承担和参与国家自然科学基金委、科技部、中科院和江苏省的多个纵向研究项目和企业横向项目。学术上，参与编写了中国第一本印刷电子学专著及英文版，并有多篇相关文章发表和多项专利授权。

马昌期，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员，博士生导师。1998年毕业于北京师范大学化学系，获得学士学位。2003年毕业于中科院理化技术研究所，获得博士学位。2003-2011年分别在英国、德国做博士后、洪堡学者以及Habilitand。2011年6月全职回国，入职中科院苏州纳米所，任中国科学院“百人计划”研究员，组建印刷薄膜光伏电池实验室，开展包括可印刷有机及杂化半导体材料、功能纳米薄膜的印刷制备、高效高稳定性纳米薄膜光伏电池技术以及精密印刷制造工艺技术等方面的研究。承担国家、中国科学院以及江苏省等科研项目10余项，在Adv. Mater, Adv. Energy Mater., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano等期刊发表SCI学术论文150余篇，申请发明专利40余项。

团队介绍：

印刷薄膜光电器件研究团队简介：采用印刷的方式完成光电子器件制造具有加工速度快、制造成本低、可实现柔性集成等优势，是集成微电子器件加工制造的一种重要的技术手段。印刷薄膜光电器件研究团队长期从事光电子功能器件，包括：太阳能电池、精密电路、电容传感等的精密制造技术开发，研究工作具体涉及：可印刷墨水材料、电子电路精密制造、功能元器件开发及其在能源、信息、环境、安全等领域的应用等。团队目前共有工作人员（含博士后）共9名，学生20余名。团队核心成员在Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Angew. Chem. Int. Ed.，ACS Nano，Adv. Funct. Mater.等国际著名期刊上发表论文130余篇，申请发明专利40余项。团队具备完善的材料合成制备、印刷工艺研究、器件集成封装、性能分析测试等实验条件，诚待有志之士加盟。

《能源与环境材料（英文）》（Energy & Environmental Materials）创刊于2018年，是由郑州大学和Wiley出版集团共同主办的国内外公开发行的英文期刊，主要报道能源捕获、转换、储存和传输材料以及洁净环境材料领域的高水平研究成果。EEM为材料、化学、物理、医学及工程等多学科及交叉学科的研究者提供交流平台，激发新火花、提出新概念、发展新技术、推进新政策，共同致力于清洁、环境友好的能源材料研发，促进人类社会可持续健康发展。期刊2022年度影响因子为15，JCI指数1.58，5年影响因子16.5，2022年度CiteScore为20.5，SNIP指标为2.425。在材料科学各领域位列前茅，其中科院分区为材料科学1区Top、材料科学综合1区。先后收录于DOAJ、SCIE、Scopus、CSCD等数据库。