南科大鄧巍巍團隊：直寫打印有機光伏合金電極！

來源：南方科技大學

有機光伏電池是新一代可再生能源，其最受關(guān)注的優(yōu)點是輕、薄，以及通過溶液法實現(xiàn)低成本連續(xù)印刷制造的潛力。當前，有機光伏電池頂電極的主流制備方式是真空蒸鍍，在進出真空腔時要經(jīng)歷繁瑣耗時的抽放氣過程，已經(jīng)成為阻礙全印刷制備有機光伏電池發(fā)展的瓶頸。如何實現(xiàn)有機光伏電池頂電極的可連續(xù)打印制備，是產(chǎn)業(yè)化進程面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。低熔點合金具有許多適合作為有機光伏電池頂電極的優(yōu)點：功函數(shù)低、電導率高、無需高溫燒結(jié)、在熔融狀態(tài)下可用打印方法制備。熔點為62 ℃的菲爾德合金（Field's metal：32.5%鉍，51%銦，16.5%錫）在陽光照射下可保持固態(tài)，熔融溫度對有機光伏材料無損傷，且不含鉛等有毒元素，因此是理想的有機光伏電池電極材料。

近日，南方科技大學力學與航空航天工程系教授鄧巍巍團隊實現(xiàn)了低熔點合金作為有機光伏電池頂電極的打印。該團隊設計了直寫菲爾德合金的打印裝置，研究了打印過程中的關(guān)鍵流體力學問題，獲得了非蒸鍍電極有機光伏電池的最高效率。相關(guān)研究成果以題為Printing of Low-Melting-Point Alloy as Top Electrode for Organic Solar Cells發(fā)表在Advanced Optical Materials上。南科大2022級博士生于博洋和2020級碩士生劉霖娜為共同第一作者。南科大前沿與交叉科學研究院研究副教授趙新彥和力學與航空航天工程系教授鄧巍巍為共同通訊作者。南科大是論文第一單位。

團隊使用的打印技術(shù)為常見的熔融沉積打印法（圖1a）。打印裝置包括一個包裹在注射器周圍的恒溫加熱系統(tǒng)，可以使合金處在熔融狀態(tài)；注射器推桿由步進電機驅(qū)動，通過控制程序?qū)崿F(xiàn)與基臺的x-y-z方向聯(lián)動，實現(xiàn)精密的熔融態(tài)合金的擠出和拖拽（即“打印”）。

團隊發(fā)現(xiàn)，打印頭與基板之間的距離（打印間距）對打印結(jié)果有重要影響。打印間距的一個臨界值與熔融合金毛細尺度密切相關(guān)，并使熔融沉積打印法實現(xiàn)兩種不同的打印模式：打印間距與毛細尺度相當時的拖動模式（也可稱為遠場模式）和打印間距遠小于毛細尺度的剪切模式（或近場模式）。團隊分別采用這兩種打印模式打印電極（圖1b），在基于D18:Y6活性材料的有機薄膜上（圖1c），分別打印出棒狀和薄片電極（圖1d）。電池的最高效率達到16.44%，是當前文獻報道的基于非真空蒸鍍電極的有機光伏電池最高效率。

在拖動模式下（圖2a），當擠出速度與運動速度的比值較大時，出液量超過成型棍狀電極所需的流量，形成一個個小串珠（藍色區(qū)域）；擠出速度與運動速度比值很小時，擠出量不足以形成連續(xù)的電極，形成不連續(xù)的跡線（紅色區(qū)域）；當這兩個速度的比值在合適的范圍（0.2-0.35），則形成均勻連續(xù)的棒狀電極（綠色區(qū)域）。剪切模式打印的薄片電極橫截面和俯視圖如圖2b所示。當打印間隙小于100微米時，可以形成連續(xù)的扁平薄片電極，且隨著打印間隙的縮小，電極的寬厚比逐漸增大，更有利于節(jié)省電極材料。

該工作以簡潔的打印方式代替真空蒸鍍來制備頂電極，為有機光伏電池在常壓環(huán)境連續(xù)制備提供了新的機理和方法。此外，該項工作所研究的直寫打印低熔點合金作為電極，在有機半導體器件方面具有普適性，也適用于有機和量子發(fā)光二極管（OLED和QLED）等光電器件，可為印刷法制造高性能新型光電器件提供新的工藝方法和研究思路。感謝國家自然科學基金和深圳市軟材料力學與智造重點實驗室的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adom.202201977