Adv. Opt. Mater.：曲写打印有机光伏合金电极

Adv. Opt. Mater.：曲写打印有机光伏合金电极

有机光伏电池是新一代可再生能源，其最受存眷的长处是轻、薄，以及通过溶液法实现低成本持续印刷造造的潜力。当前，有机光伏电池顶电极的支流造备体例是实空蒸镀，在进出实空腔时要履历繁琐耗时的抽放气过程，已经成为障碍全印刷造备有机光伏电池开展的瓶颈。若何实现有机光伏电池顶电极的可持续打印造备，是财产化历程面对的关键挑战之一。

低熔点合金具有许多合适做为有机光伏电池顶电极的长处：功函数低、电导率高、无需高温烧结、在熔融形态下可用打印办法造备。熔点为62 ℃的菲尔德合金（Field's metal：*2.*%铋，*1%铟，16.*%锡）在阳光照射下可连结固态，熔融温度对有机光伏质料无损伤，且不含铅等有毒元素，因而是抱负的有机光伏电池电极质料。近日，来自南方科技大学的科研团队设想了曲写菲尔德合金的打印安装，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更高效率。

拖动形式（动图）

剪切形式（动图）

图1 打印安装，器件构造，打印形式和打印造备的电极

接纳的打印手艺为熔融堆积打印法（图1a）。打印安装包罗一个包裹在打针器四周的恒温加热系统，能够使合金处在熔融形态；打针器推杆由步进电机驱动，通过控造法式实现与基台的x-y-z标的目的联动，实现细密的熔融态合金的挤出和拖拽（即“打印”）。喷嘴与基板之间的间隔（打印间距）对打印成果有重要影响。打印间距的一个临界值与熔交融金毛细标准亲近相关，并使熔融堆积打印法实现两种差别的打印形式：打印间距与毛细标准相其时的拖动形式（也可称为远场形式）和打印间距远小于毛细标准的剪切形式（或近场形式）。团队别离接纳那两种打印形式打印电极（图1b），在基于D18:Y6活性质料的有机薄膜上（图1c），别离打印出棒状和薄片电极（图1d）。电池的更高效率到达16.44%，是当前文献报导的基于非实空蒸镀电极的有机光伏电池更高效率。

图2 无量纲打印速度对应的相图和电极尺寸

拖动形式下，当打印间距H= 200 μm时，差别挪动速度（Vm）和挤出速度（Ve）的打印电极外形如图2a所示。电极外形由无量纲数V* = Ve/Vm决定，差别的Vm和Ve共同打印出的电极外形各不不异，类似的电极外形呈现在不异的V*处。当V* 0.2（红色区域），因为喷嘴和基板之间的运动相对较快，体积流量不敷以填充电极，招致电极断裂; 当V*在0.2- 0.**（绿色区域）之间，打印可获得合适做为电极的持续曲线。当V* 0.**（蓝色区域）时，会产生串珠，而且珠子的宽度和厚度都跟着V*的增加而增加。电极几何参数随V*的变革如图2b所示。尝试成果表白，无量纲数V*能够做为预测打印迹线外形的有效参数。通过调整Ve的值以连结可行的V*，能够在挪动速度Vm为*至100 mm/s的范畴内获得持续的曲线。更快的Vm 需要更大的挤出流量，但也需要更长的启动长度才气加速到设定的速度值， 考虑到器件长度只要1* mm，选择相对较低的 Vm有利于打印平均电极。

图* 薄片电极打印成型规律

当没有施加外部压力或打针泵柱塞运动时，喷嘴尖端构成弯月面以平衡重力。若是喷嘴和基板足够接近，弯月面上的熔交融金可能会接触基板外表。一旦喷嘴相关于基板挪动，弯月面就会被剪切力毁坏，重力将熔交融金从喷嘴中排出，那种通过重力和剪切力的配合感化打印电极的体例称为剪切形式。该形式的次要参数包罗运动速度Vm 和 打印间距 H。在剪切形式下，因为打印间距很小，打印量量对机械振动敏感；另一方面，更高的Vm能够产生更宽的电极。基于那两方面的考虑，选择Vm 为 20 mm/s摆布为宜。图*a显示了剪切形式在差别间距H和固定Vm = 20 mm/s下打印的电极。剪切形式下可构成宽高比更大的薄片电极，薄片的横截面如图*b所示。H 100 μm时，可获得宽度为*00-1100 μm、厚度为*0-100 μm的持续薄片电极（图*c）。跟着H进一步增加到大于100 μm，薄片的横截面增加。然而，此时重力驱动的流量不敷，打印构成的线段不持续（图*a中的红色区域）。当H降低到小于*0μm时，电极厚度将十分小，而且薄片边沿快速凝固的毛刺可能会跟着喷嘴挪动，招致电极缺陷或损坏电池薄膜。因而，约*0-*0 μm的间距H有利于打印持续平均的薄片电极。

该工做以简洁的打印体例取代实空蒸镀来造备顶电极，为有机光伏电池在常压情况持续造备供给了新的机理和办法。此外，该项工做所研究的曲写打印低熔点合金做为电极，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，可为印刷法造造高性能新型光电器件供给新的工艺办法和研究思绪。

器件展现（动图）

相关研究功效以“Printing of Low-Melting-Point Alloy as Top Electrode for Organic Solar Cells”为题在Advanced Optical Materials上颁发。南科大2022级博士生于博洋和2020级硕士生刘霖娜为配合第一做者。南科大前沿与穿插科学研究院的赵新彦研究副传授和力学与航空航天工程系邓巍巍传授为配合通信做者。该研究获得了国度天然科学基金和深圳市软质料力学与智造重点尝试室的撑持。

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