Adv. Opt. Mater.：曲寫打印有機(jī)光伏合金電極

有機(jī)光伏電池是新一代可再生能源，其最受存眷的長處是輕、薄，以及通過溶液法實(shí)現(xiàn)低成本持續(xù)印刷造造的潛力。當(dāng)前，有機(jī)光伏電池頂電極的支流造備體例是實(shí)空蒸鍍，在進(jìn)出實(shí)空腔時(shí)要履歷繁瑣耗時(shí)的抽放氣過程，已經(jīng)成為障礙全印刷造備有機(jī)光伏電池開展的瓶頸。若何實(shí)現(xiàn)有機(jī)光伏電池頂電極的可持續(xù)打印造備，是財(cái)產(chǎn)化歷程面對的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。

低熔點(diǎn)合金具有許多合適做為有機(jī)光伏電池頂電極的長處：功函數(shù)低、電導(dǎo)率高、無需高溫?zé)Y(jié)、在熔融形態(tài)下可用打印辦法造備。熔點(diǎn)為62 ℃的菲爾德合金（Field's metal：*2.*%鉍，*1%銦，16.*%錫）在陽光照射下可連結(jié)固態(tài)，熔融溫度對有機(jī)光伏質(zhì)料無損傷，且不含鉛等有毒元素，因而是抱負(fù)的有機(jī)光伏電池電極質(zhì)料。近日，來自南方科技大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)設(shè)想了曲寫菲爾德合金的打印安裝，研究了打印過程中的關(guān)鍵流體力學(xué)問題，獲得了非蒸鍍電極有機(jī)光伏電池的更高效率。

拖動形式（動圖）

剪切形式（動圖）

圖1 打印安裝，器件構(gòu)造，打印形式和打印造備的電極

接納的打印手藝為熔融堆積打印法（圖1a）。打印安裝包羅一個(gè)包裹在打針器四周的恒溫加熱系統(tǒng)，能夠使合金處在熔融形態(tài)；打針器推桿由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，通過控造法式實(shí)現(xiàn)與基臺的x-y-z標(biāo)的目的聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)細(xì)密的熔融態(tài)合金的擠出和拖拽（即“打印”）。噴嘴與基板之間的間隔（打印間距）對打印成果有重要影響。打印間距的一個(gè)臨界值與熔交融金毛細(xì)標(biāo)準(zhǔn)親近相關(guān)，并使熔融堆積打印法實(shí)現(xiàn)兩種差別的打印形式：打印間距與毛細(xì)標(biāo)準(zhǔn)相其時(shí)的拖動形式（也可稱為遠(yuǎn)場形式）和打印間距遠(yuǎn)小于毛細(xì)標(biāo)準(zhǔn)的剪切形式（或近場形式）。團(tuán)隊(duì)別離接納那兩種打印形式打印電極（圖1b），在基于D18:Y6活性質(zhì)料的有機(jī)薄膜上（圖1c），別離打印出棒狀和薄片電極（圖1d）。電池的更高效率到達(dá)16.44%，是當(dāng)前文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)的基于非實(shí)空蒸鍍電極的有機(jī)光伏電池更高效率。

圖2 無量綱打印速度對應(yīng)的相圖和電極尺寸

拖動形式下，當(dāng)打印間距H= 200 μm時(shí)，差別挪動速度（Vm）和擠出速度（Ve）的打印電極外形如圖2a所示。電極外形由無量綱數(shù)V* = Ve/Vm決定，差別的Vm和Ve共同打印出的電極外形各不不異，類似的電極外形呈現(xiàn)在不異的V*處。當(dāng)V* 0.2（紅色區(qū)域），因?yàn)閲娮旌突逯g的運(yùn)動相對較快，體積流量不敷以填充電極，招致電極斷裂; 當(dāng)V*在0.2- 0.**（綠色區(qū)域）之間，打印可獲得合適做為電極的持續(xù)曲線。當(dāng)V* 0.**（藍(lán)色區(qū)域）時(shí)，會產(chǎn)生串珠，而且珠子的寬度和厚度都跟著V*的增加而增加。電極幾何參數(shù)隨V*的變革如圖2b所示。嘗試成果表白，無量綱數(shù)V*能夠做為預(yù)測打印跡線外形的有效參數(shù)。通過調(diào)整Ve的值以連結(jié)可行的V*，能夠在挪動速度Vm為*至100 mm/s的范疇內(nèi)獲得持續(xù)的曲線。更快的Vm 需要更大的擠出流量，但也需要更長的啟動長度才氣加速到設(shè)定的速度值， 考慮到器件長度只要1* mm，選擇相對較低的 Vm有利于打印平均電極。

圖* 薄片電極打印成型規(guī)律

當(dāng)沒有施加外部壓力或打針泵柱塞運(yùn)動時(shí)，噴嘴尖端構(gòu)成彎月面以平衡重力。若是噴嘴和基板足夠接近，彎月面上的熔交融金可能會接觸基板外表。一旦噴嘴相關(guān)于基板挪動，彎月面就會被剪切力毀壞，重力將熔交融金從噴嘴中排出，那種通過重力和剪切力的配合感化打印電極的體例稱為剪切形式。該形式的次要參數(shù)包羅運(yùn)動速度Vm 和 打印間距 H。在剪切形式下，因?yàn)榇蛴￠g距很小，打印量量對機(jī)械振動敏感；另一方面，更高的Vm能夠產(chǎn)生更寬的電極。基于那兩方面的考慮，選擇Vm 為 20 mm/s擺布為宜。圖*a顯示了剪切形式在差別間距H和固定Vm = 20 mm/s下打印的電極。剪切形式下可構(gòu)成寬高比更大的薄片電極，薄片的橫截面如圖*b所示。H 100 μm時(shí)，可獲得寬度為*00-1100 μm、厚度為*0-100 μm的持續(xù)薄片電極（圖*c）。跟著H進(jìn)一步增加到大于100 μm，薄片的橫截面增加。然而，此時(shí)重力驅(qū)動的流量不敷，打印構(gòu)成的線段不持續(xù)（圖*a中的紅色區(qū)域）。當(dāng)H降低到小于*0μm時(shí)，電極厚度將十分小，而且薄片邊沿快速凝固的毛刺可能會跟著噴嘴挪動，招致電極缺陷或損壞電池薄膜。因而，約*0-*0 μm的間距H有利于打印持續(xù)平均的薄片電極。

該工做以簡潔的打印體例取代實(shí)空蒸鍍來造備頂電極，為有機(jī)光伏電池在常壓情況持續(xù)造備供給了新的機(jī)理和辦法。此外，該項(xiàng)工做所研究的曲寫打印低熔點(diǎn)合金做為電極，在有機(jī)半導(dǎo)體器件方面具有普適性，也適用于有機(jī)和量子發(fā)光二極管（OLED和QLED）等光電器件，可為印刷法造造高性能新型光電器件供給新的工藝辦法和研究思緒。

器件展現(xiàn)（動圖）

相關(guān)研究功效以“Printing of Low-Melting-Point Alloy as Top Electrode for Organic Solar Cells”為題在Advanced Optical Materials上頒發(fā)。南科大2022級博士生于博洋和2020級碩士生劉霖娜為配合第一做者。南科大前沿與穿插科學(xué)研究院的趙新彥研究副傳授和力學(xué)與航空航天工程系鄧巍巍傳授為配合通信做者。該研究獲得了國度天然科學(xué)基金和深圳市軟質(zhì)料力學(xué)與智造重點(diǎn)嘗試室的撐持。

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