當離子液晶邂逅導電高分子——新型透明電極的誕生

標 簽：學科前沿

關鍵詞：離子液晶 導電高分子 透明電極 有機太陽能電池

有機太陽能電池由於其製備成本低、易於溶液大面積加工、質輕、柔性便捷等優點而受到了廣泛的關注。目前，高性能有機器件主要採用氧化銦錫（ITO）做為透明電極，然而ITO內在的機械脆性、不耐高溫、稀有金屬銦的使用以及與活性層粘附性較差等缺點都限制了其大規模應用。為此，找到新的透明導電材料代替ITO自關重要。

在眾多新型導電材料中，研究人員發現導電高分子[聚3,4-乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS）]由於其優良的光學透明度、機械柔性和可溶液加工的等優點成為最有潛力的ITO替代品。然而PEDOT:PSS薄膜表面高含量絕緣組分聚苯乙烯磺酸鹽（PSS）的存在使其導電性較差，對此，研究人員採取了很多方法如對薄膜用有機溶劑、表面活性劑、離子鹽、硫酸等進行後處理來提高其導電性，儘管導電性確實所提升，但這些後處理方法都存在一些問題。

南昌大學的Yiwang Chen課題組發現通過離子液晶修飾PEDOT:PSS薄膜，可以得到一種替代ITO的新型透明電極。在PEDOT:PSS薄膜上旋塗一層離子液晶[C16mim]PF6（1-甲基-3-十六烷基咪唑六氟磷酸鹽）或[C16mim]BF4（1-甲基-3-十六烷基咪唑四氟硼酸鹽）後，薄膜上大部分的絕緣組分能夠被有效移除，使得薄膜的導電性大幅上升，從0.4 S·cm-1提升至1457.7 S·cm-1。

圖1：器件結構和所用離子液晶的分子結構

(圖片來源：J. Mater. Chem. A)

同時，離子液晶的有序性還能促使PEDOT和活性層分子更加有序的排列，這種有序的分子排列有利於大幅提高薄膜導電性。並且疏水性液晶的引入提高了薄膜的疏水性，使得薄膜與電極和活性層的接觸更為緊密，能級更加匹配，加速了電荷注入和傳輸，同時還可以保護薄膜免受氧氣和水分子的侵襲，有利於提高器件穩定性。

圖2：離子液晶修飾前和修飾後薄膜的TEM圖以及離子液晶誘導PEDOT形成有序排列的機製圖

(圖片來源：J. Mater. Chem. A)

隨後，研究人員以離子液晶修飾過的PEDOT:PSS薄膜做為透明電極代替ITO製成器件，分別用P3HT:PC61BM和PTB7:PC71BM做為活性層測試器件效率。結果表明，該器件效率與ITO做為電極的器件效率相差不多，這表明該新型電極有望於代替ITO應用於大面積柔性有機太陽能器件中。

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