逐層沉積工藝+紫外光摻雜技術(shù)大幅提高氧化鋅導(dǎo)電率
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有機(jī)光伏器件的透明電極材料需具有高透光性、高導(dǎo)電性、低表面粗糙度、低使用成本等特點(diǎn)。此外，其還需要具有和有機(jī)半導(dǎo)體材料的電子結(jié)構(gòu)相匹配的表面功函數(shù)。唐正課題組通過逐層沉積工藝制備出的紫外光摻雜氧化鋅薄膜，達(dá)到了有機(jī)光伏器件透明電極材料應(yīng)具備的技術(shù)要求。
◎魏 路 本報記者 王 春
與以硅為代表的無機(jī)半導(dǎo)體材料相比，有機(jī)半導(dǎo)體具有成本低、材料多樣、功能可調(diào)、可柔性印刷制備等諸多優(yōu)點(diǎn)，這使得有機(jī)光伏可突破“硅光伏”的諸多局限。但有機(jī)光伏要想順利走向市場，還有一個關(guān)鍵問題需要解決，那便是要研制出可適用于高性能有機(jī)光伏器件的透明電極材料。
近日，東華大學(xué)先進(jìn)低維材料中心特聘研究員唐正課題組在《自然·通訊》上發(fā)表了他們的一項研究成果——一種全新的逐層沉積工藝制備的透明導(dǎo)電薄膜材料，并明確了薄膜的導(dǎo)電機(jī)制。使用該薄膜材料作有機(jī)光伏器件的陰極，實現(xiàn)了光伏器件的“免氧化銦錫(ITO)”，推動了有機(jī)光伏的市場化。
尋找可替代氧化銦錫的透明電極材料
目前，有機(jī)光伏器件的正面一般采用具有高透光性的透明電極材料，以保證光線能夠高效的進(jìn)入器件內(nèi)部，并通過這種材料進(jìn)行高效的光電轉(zhuǎn)換。同時，該材料還必須具備高導(dǎo)電率，以實現(xiàn)光轉(zhuǎn)化的電流以最低的損耗從光伏器件中導(dǎo)出。
ITO是有機(jī)光伏器件最常用的透明電極材料，具有高導(dǎo)電率、低光學(xué)吸收率、高表面平整度等顯著優(yōu)點(diǎn)，但銦元素是稀有金屬，地殼分布量小且分布較為分散，價格昂貴。ITO的使用會大幅提高有機(jī)光伏器件的制造成本。更重要的是，全球銦元素的預(yù)估儲量無法滿足有機(jī)光伏器件大規(guī)模工業(yè)化發(fā)展的要求。
因此，尋找ITO的替代品就成為有機(jī)光伏邁向市場的關(guān)鍵之一。
常見的ITO的替代材料，如氟摻雜的氧化錫(FTO)、鋁摻雜的氧化鋅(AZO)等透明電極材料，光學(xué)吸收率高、光透過率較差，嚴(yán)重限制了有機(jī)光伏器件的光電轉(zhuǎn)換效率；而納米金屬網(wǎng)格、碳納米管、石墨烯等新興透明電極材料的表面粗糙度高，導(dǎo)致沉積在電極之上的吸光薄膜質(zhì)量較差，從而難以用于構(gòu)建高性能有機(jī)光伏器件。還有許多其他透明材料雖然具有理想的導(dǎo)電率，但是因為薄膜厚度問題，電阻過大，同樣不適用于有機(jī)光伏器件。
有機(jī)光伏器件的透明電極材料需要具有高透光性、高導(dǎo)電性、低表面粗糙度、低使用成本等特點(diǎn)?！按送猓溥€需要具有和有機(jī)半導(dǎo)體材料的電子結(jié)構(gòu)相匹配的表面功函數(shù)?！碧普a(bǔ)充道，“這個表面功函數(shù)是決定光轉(zhuǎn)化的電荷能否高效地從有機(jī)半導(dǎo)體材料中轉(zhuǎn)移到電極，從而轉(zhuǎn)移到外電路中的關(guān)鍵?！?
氧化鋅一直被研究者們認(rèn)為是可替代ITO的非常理想的透明電極材料。在自然狀態(tài)下，氧化鋅具有N型導(dǎo)電性，且具有較低的功函數(shù)，和有機(jī)半導(dǎo)體材料的電子結(jié)構(gòu)匹配性好；同時，溶液法制備的氧化鋅薄膜具有極高的可見光和近紅外光的光透過率，材料及制備的成本也非常低。但極低的導(dǎo)電率，嚴(yán)重限制了氧化鋅作為透明電極薄膜在有機(jī)光伏器件上的應(yīng)用。
讓導(dǎo)電率極低的氧化鋅持續(xù)高效導(dǎo)電
在早期研究中，一般通過元素?fù)诫s，如鋁摻雜、鎵摻雜、硼摻雜或氟摻雜，來提高氧化鋅的導(dǎo)電率。但元素?fù)诫s不僅降低了氧化鋅薄膜的透光率，也會影響有機(jī)光伏器件的使用壽命。因此，在有機(jī)光伏器件的實際使用中，元素?fù)诫s的氧化鋅并未得到廣泛使用。
“我們所要解決的難題就是：如何讓原本導(dǎo)電率極低的氧化鋅保持持續(xù)高效的導(dǎo)電率?！碧普嬖V科技日報記者。
基于紫外光摻雜技術(shù)，唐正課題組創(chuàng)新性開發(fā)了一種不需要元素?fù)诫s，便可大幅提高氧化鋅導(dǎo)電率的策略。
雖然“紫外光摻雜可提高氧化鋅的導(dǎo)電率”在此前已有文獻(xiàn)報道過，但是其導(dǎo)電率提升幅度有限，摻雜后的氧化鋅依然無法用作有機(jī)光伏器件的透明薄膜電極。
基于溶膠—凝膠技術(shù)，唐正課題組通過多次逐層沉積工藝，制備多層薄膜，來提高氧化鋅薄膜中的氧空位的濃度，從而大幅提高紫外光摻雜的效率，成功將紫外光摻雜后的氧化鋅的導(dǎo)電率提高到了500西門子/厘米，比早期研究報道的紫外摻雜的氧化鋅薄膜的導(dǎo)電率高了2—5倍。
“簡單來說，氧化鋅吸收紫外光后會產(chǎn)生電荷，電荷越多，導(dǎo)電性越高。隨著紫外光的消失，電荷也逐漸消失。氧空位的作用就是讓氧化鋅產(chǎn)生更多的電荷，并保證電荷不會消失，成為一個持續(xù)擁有電荷的導(dǎo)體。”唐正解釋道，逐層沉積法的目的便是通過逐層增加氧化鋅薄膜的厚度，提高氧空位的濃度，實現(xiàn)氧化鋅導(dǎo)電率的提高。
和早期研究結(jié)果不同，逐層沉積工藝制備出的紫外光摻雜氧化鋅薄膜的表面功函數(shù)低、表面粗糙度低，同時，薄膜厚度可以簡單的通過提高氧化鋅薄膜的沉積次數(shù)來得到提升，實現(xiàn)了高性能有機(jī)光伏器件透明電極材料所需要具備的技術(shù)要求。
由于逐層沉積工藝制備出的紫外摻雜氧化鋅薄膜還具有紫外屏蔽作用，這相當(dāng)于給有機(jī)光伏器件擦了一層“防曬霜”。相對于基于ITO的器件，其展示出了更加優(yōu)異的器件使用壽命。
“這也是我們研究的意外之喜?！碧普χf道。
未來光伏技術(shù)將開辟全新應(yīng)用領(lǐng)域
“進(jìn)一步提高氧化鋅的導(dǎo)電率是我們下一步的研究方向?！碧普f，目前，逐層沉積工藝制備的紫外光摻雜氧化鋅薄膜的導(dǎo)電率，可以滿足構(gòu)建實驗室尺度的有機(jī)光伏器件。要實現(xiàn)有機(jī)光伏器件大規(guī)模工業(yè)化，其透明電極薄膜的導(dǎo)電率當(dāng)然是越高越好。
據(jù)介紹，唐正課題組制備的紫外光氧化鋅薄膜的最大尺寸可達(dá)5×5厘米。未來，通過使用狹縫擠壓涂布法等工業(yè)化兼容的薄膜沉積法，制備具有更大面積的逐層沉積的紫外光摻雜氧化鋅薄膜或?qū)⒅朴袡C(jī)光伏市場化進(jìn)程。
不久的將來，有機(jī)光伏技術(shù)不僅可以與傳統(tǒng)的“硅光伏”技術(shù)形成應(yīng)用互補(bǔ)，同時也會開辟光伏技術(shù)全新的應(yīng)用領(lǐng)域。例如，有機(jī)光伏器件可以在弱光環(huán)境下，通過吸收環(huán)境光、室內(nèi)光，對室內(nèi)的電子元件進(jìn)行持續(xù)供電，因此可以解決電子元件依賴外部電源這一嚴(yán)重制約物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的問題，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展。
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