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新型透明导电薄膜开辟光伏技术全新应用领域
2022年10月14日 10:35:19
来源：化工仪器网 点击量：4907
【化工仪器网 项目成果】近年来，电子产品可以贴身穿戴监控各项健康指标、超薄柔屏电视和智能手机可以任意折叠用于展示、有机电子感应材料可以用于制造人造皮肤以治疗灼伤……这些以往只能够在科幻电影中才能看到的场景，已经逐渐出现在我们的日常生活中，而这一切都得益于有机半导体的迅猛发展。
有机半导体是具有半导体性质的有机材料，其导电能力介于金属和绝缘体之间，具有热激活电导率且电导率在10-10～100S·cm-1范围内的有机物。与以硅为代表的无机半导体材料相比，有机半导体具有成本低、材料多样、功能可调、可柔性印刷制备等诸多优点，这使得有机光伏可突破“硅光伏”的诸多局限。
然而，有机光伏要想顺利走向市场，还有一个关键问题需要解决，那便是要研制出可适用于高性能有机光伏器件的透明电极材料。目前，有机光伏器件的正面一般采用具有高透光性的透明电极材料，以保证光线能够高效的进入器件内部，并通过这种材料进行高效的光电转换。同时，该材料还必须具备高导电率，以实现光转化的电流以最低的损耗从光伏器件中导出。
免氧化铟锡(ITO)是一种有机光伏器件最常用的透明电极材料，具有高导电率、低光学吸收率、高表面平整度等显著优点，但铟元素是稀有金属，地壳分布量小且分布较为分散，价格昂贵。ITO的使用会大幅提高有机光伏器件的制造成本。更重要的是，全球铟元素的预估储量无法满足有机光伏器件大规模工业化发展的要求。因此，寻找ITO的替代品就成为有机光伏迈向市场的关键之一。
氧化锌一直被研究者们认为是可替代ITO的非常理想的透明电极材料。在早期研究中，一般通过元素掺杂，如铝掺杂、镓掺杂、硼掺杂或氟掺杂，来提高氧化锌的导电率。然而，元素掺杂不仅降低了氧化锌薄膜的透光率，也会影响有机光伏器件的使用寿命。因此，在有机光伏器件的实际使用中，元素掺杂的氧化锌并未得到广泛使用。
为了让原本导电率极低的氧化锌保持持续高效的导电率，东华大学先进低维材料中心特聘研究员唐正课题组基于紫外光掺杂技术，创新性开发了一种不需要元素掺杂，便可大幅提高氧化锌导电率的策略。
研究人员通过通过多次逐层沉积工艺，制备多层薄膜，来提高氧化锌薄膜中的氧空位的浓度，从而大幅提高紫外光掺杂的效率。氧化锌吸收紫外光后会产生电荷，电荷越多，导电性越高。随着紫外光的消失，电荷也逐渐消失。氧空位的作用就是让氧化锌产生更多的电荷，并保证电荷不会消失，成为一个持续拥有电荷的导体。
他们成功将紫外光掺杂后的氧化锌的导电率提高到了500西门子/厘米，比早期研究报道的紫外掺杂的氧化锌薄膜的导电率高了2—5倍。同时，薄膜厚度可以简单的通过提高氧化锌薄膜的沉积次数来得到提升，实现了高性能有机光伏器件透明电极材料所需要具备的技术要求。由于逐层沉积工艺制备出的紫外掺杂氧化锌薄膜还具有紫外屏蔽作用，这相当于给有机光伏器件擦了一层“防晒霜”。相对于基于ITO的器件，其展示出了更加优异的器件使用寿命。
未来他们还将通过使用狭缝挤压涂布法等工业化兼容的薄膜沉积法，制备具有更大面积的逐层沉积的紫外光掺杂氧化锌薄膜或将助推有机光伏市场化进程。我们期待有机光伏技术不仅可以与传统的“硅光伏”技术形成应用互补，同时也会开辟光伏技术全新的应用领域。
例如，有机光伏器件可以在弱光环境下，通过吸收环境光、室内光，对室内的电子元件进行持续供电，因此可以解决电子元件依赖外部电源这一严重制约物联网技术发展的问题，促进物联网技术的快速发展。
(资料来源：科技日报)
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