柔性光伏作為一種能源，可以為生物醫學診斷和監測裝置、可穿戴裝置和機器人提供動力。與晶體矽和砷化鎵等傳統光伏技術相比，有機太陽電池（OSCs）在力學柔性方面具有本徵優勢。由溶膠-凝膠法制備出的ZnO是倒置有機太陽電池中應用最為廣泛的電子傳輸層之一。溶膠-凝膠ZnO前驅體由溶解在2-甲氧基乙醇中的無水乙酸鋅（ZAH）和乙醇胺組成，其中乙醇胺與ZAH螯合有助於ZAH在2-甲氧基乙醇中的溶解。然而，將該絡合物轉化為ZnO通常需要高於120 °C的退火溫度，高溫與柔性塑膠基材產生不相容問題。
在本文中，作者開發出一種
無胺配方（甲醇中的ZAH）用於在低至90 °C的溫度下製備ZnO薄膜
，大大低於傳統配方（2-ME中的ZAH和乙醇胺）所需的溫度（120 °C以上）。根據前驅體溶液的動態光散射（DLS）和液相色譜-質譜（LC-MS）表徵，表明甲醇溶劑化的乙酸鋅是無胺配方前驅體溶液中的主要產物，而傳統含胺配方的前驅體溶液中存在著更復雜的產物（包括含鋅胺的絡合物）。測試表明，低溫處理製備出的ZnO薄膜可作為高效的柔性倒置OSCs電子傳輸層，使柔性非富勒烯太陽電池的功率轉換效率（PCE）高達16。72%。
第一作者：Pei Jiang、Jianping Chen、Fei Qin
通訊作者：周印華教授
通訊單位：華中科技大學
DOI： 10。1002/anie。202208815
亮點解析
無胺配方製備出ZnO薄膜的表徵
如圖1a所示，為製備ZnO薄膜的傳統含胺（ZAH和乙醇胺溶解在2-ME中）和無胺（ZAH溶解在MeOH中）的配方組成。兩種配方所製備出的ZnO薄膜分別表示為（ZnO）EA和（ZnO）EA-free，其中EA為乙醇胺。如圖1b的DLS測試結果所示，（ZnO）EA的含胺前驅體溶液中所含絡合物（396 nm）大於（ZnO）EA-free的無胺前驅體（200 nm）。此外，（ZnO）EA前驅體中存在著更大尺寸（5。6 μm）的絡合物，而在（ZnO）EA-free前驅體中則沒有出現此類大尺寸絡合物。對比兩種前驅體的LC-MS測試結果表明，（ZnO）EA前驅體的訊號比（ZnO）EA-free前驅體的訊號更加複雜（圖1c）。
圖1
。 ZnO薄膜的含胺與無胺前驅體的設計與表徵。
圖2a為ZnO薄膜的O 1s XPS測試，其中較低的結合能（530。4 eV）對應於ZnO中的晶格氧（OL），而較高的結合能（532。0 eV）則對應於非晶格氧（ON-L，存在於醋酸鹽或由表面缺陷而被化學吸附的氧）。如圖2b所示，（ZnO）EA-free膜中低結合能O原子的含量在90-100 °C下達到飽和，而（ZnO）EA膜中低結合能O原子的含量在120-130 °C下飽和，表明
無胺前驅體可以在比傳統含胺前驅體更低的溫度下轉化為ZnO
。圖2c為90和150 °C下退火的（ZnO）EA-free和（ZnO）EA分散體的透射電子顯微鏡（TEM）影象。可以看出，在90 °C下退火的（ZnO）EA-free顯示出ZnO晶體結構，而（ZnO）EA在類似的退火條件下並沒有顯示出該結構。
圖2
。 （ZnO）EA-free和（ZnO）EA薄膜的表徵。
有機太陽電池器件的效能
為驗證低溫處理的（ZnO）EA-free薄膜是否可作為有效的ETL，作者組裝出具有玻璃/ITO/（ZnO）EA-free/PBDB-T-2F：L8-BO/MoO3/Ag結構的OSC器件。圖3b為PBDB-T-2F和L8-BO的化學結構，其分別用作電子給體和受體。測試表明，在120、150和200 °C下退火的（ZnO）EA薄膜基OSC器件的PCE分別為15。75%、16。52%和17。21% （圖3c）。然而，當退火溫度降低到100 °C時，效能迅速下降至8。90%。當退火溫度為90 °C時，開路電壓（VOC）為0。71 V，短路電流密度（JSC）為14。02 mA cm-2，填充因子（FF）為0。50，PCE進一步下降至4。96%。如圖3d所示，在90、100、120、150和200 °C下退火的（ZnO）EA-free薄膜器件的PCE值分別為16。08、16。74、17。03、17。26和17。57%。在90 °C下退火的（ZnO）EA-free薄膜的器件效能（VOC=0。88 V，JSC=24。52 mA cm-2，FF=0。75，PCE=16。08%）表明，該（ZnO）EA-free薄膜可有效從有機活性層提取電子。
圖3
。 （ZnO）EA-free薄膜基OSCs的器件結構與效能。
如圖4a所示，為倒置柔性OSCs的器件結構：PET/ITO （or AgNWs）/（ZnO）EA-free/PBDB-T-2F：L8-BO/MoO3/Ag。圖4b顯示出柔性OSCs的J-V特性，在PET/ITO基底上的柔性器件可產生高達16。72%的PCE值，VOC為0。88 V，JSC為25。47 mA cm-2，FF為0。75。具有PET/AgNWs基底柔性器件的VOC為0。86 V，JSC為25。06 mA cm-2，FF為0。75，可產生16。19%的PCE值。
圖4
。 倒置柔性OSCs的器件結構與效能。
文獻來源
Pei Jiang， Jianping Chen， Fei Qin， Tiefeng Liu， Sixing Xiong， Wen Wang， Cong Xie， Xin Lu， Youyu Jiang， Hongwei Han， Yinhua Zhou。 Precursor Engineering to Reduce Processing Temperature of ZnO Films for Flexible Organic Solar Cells。
Angew. Chem. Int. Ed.
2022。 DOI： 10。1002/anie。202208815。
文獻連結：https：//doi。org/10。1002/anie。202208815