Adv. Opt. Mater.：曲寫打印有機光伏合金電極

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

低熔點合金具有許多合適做為有機光伏電池頂電極的長處：功函數(shù)低、電導率高、無需高溫燒結(jié)、在熔融形態(tài)下可用打印辦法造備。熔點為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)，熔融溫度對有機光伏質(zhì)料無損傷，且不含鉛等有毒元素，因而是抱負的有機光伏電池電極質(zhì)料。近日，來自南方科技大學的科研團隊設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)鍵流體力學問題，獲得了非蒸鍍電極有機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)；打針器推桿由步進電機驅(qū)動，通過控造法式實現(xiàn)與基臺的x-y-z標的目的聯(lián)動，實現(xiàn)細密的熔融態(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。打印間距的一個臨界值與熔交融金毛細標準親近相關(guān)，并使熔融堆積打印法實現(xiàn)兩種差別的打印形式：打印間距與毛細標準相其時的拖動形式（也可稱為遠場形式）和打印間距遠小于毛細標準的剪切形式（或近場形式）。團隊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16.44%，是當前文獻報導的基于非實空蒸鍍電極的有機光伏電池更高效率。

圖2 無量綱打印速度對應的相圖和電極尺寸

拖動形式下，當打印間距H= 200 μm時，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V* 0.2（紅色區(qū)域），因為噴嘴和基板之間的運動相對較快，體積流量不敷以填充電極，招致電極斷裂; 當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V* 0.**（藍色區(qū)域）時，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

當沒有施加外部壓力或打針泵柱塞運動時，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)包羅運動速度Vm 和 打印間距 H。在剪切形式下，因為打印間距很小，打印量量對機械振動敏感；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，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進一步增加到大于100 μm，薄片的橫截面增加。然而，此時重力驅(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H降低到小于*0μm時，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空蒸鍍來造備頂電極，為有機光伏電池在常壓情況持續(xù)造備供給了新的機理和辦法。此外，該項工做所研究的曲寫打印低熔點合金做為電極，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研究院的趙新彥研究副傳授和力學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基金和深圳市軟質(zhì)料力學與智造重點嘗試室的撐持。

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