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新型透明导电薄膜的研制及其在有机太阳能电池中的应用

摘要

本文聚焦于新型透明导电薄膜的研制及其在有机太阳能电池中的应用。详细阐述了多种新型透明导电薄膜的制备方法、性能特点，并深入分析其在有机太阳能电池中对光电转换效率、稳定性等方面的影响。通过对比传统透明电极材料，突出新型薄膜的优势与潜力。同时，探讨了目前面临的挑战及未来发展方向，旨在为有机太阳能电池领域的进一步发展提供参考。

关键词

新型透明导电薄膜；有机太阳能电池；光电转换效率；稳定性

一、引言

随着全球对清洁能源需求的不断增长，太阳能作为一种清洁、可再生能源备受关注。有机太阳能电池（OSCs）因具有成本低、材料多样、可柔性印刷制备等诸多优点，成为太阳能电池领域的研究热点之一。然而，要实现有机太阳能电池的大规模应用，关键问题之一是研制出性能优良的透明电极材料。透明导电薄膜作为有机太阳能电池的重要组成部分，其性能直接影响着电池的光电转换效率和稳定性。传统的氧化铟锡（ITO）透明电极虽具有高导电率、低光学吸收率、高表面平整度等优点，但铟元素稀有、价格昂贵，且全球储量无法满足大规模工业化发展的需求。因此，开发新型透明导电薄膜替代ITO具有重要的现实意义。

二、新型透明导电薄膜的研制

2.1紫外光掺杂氧化锌薄膜

2.1.1制备工艺

东华大学唐正课题组通过逐层沉积工艺制备紫外光掺杂氧化锌薄膜。基于溶胶—凝胶技术，多次进行逐层沉积，制备多层薄膜。该过程通过提高氧化锌薄膜中的氧空位浓度，大幅提高了紫外光掺杂的效率。简单来说，氧化锌吸收紫外光后会产生电荷，电荷越多，导电性越高，而氧空位的作用是让氧化锌产生更多电荷，并保证电荷不会消失。逐层沉积法通过逐层增加氧化锌薄膜的厚度，实现了氧空位浓度的提高，从而提高了氧化锌的导电率。

2.1.2性能特点

该薄膜具有诸多优异性能。其一，导电率大幅提高，通过该工艺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。其二，表面功函数低、表面粗糙度低，有利于电荷的传输和有机半导体材料与电极的匹配。其三，薄膜厚度可通过简单提高氧化锌薄膜的沉积次数来提升。此外，该薄膜还具有紫外屏蔽作用，可有效延长有机光伏器件的使用寿命。

2.2柔性AZO/石墨烯/AZO叠层结构薄膜

2.2.1制备工艺

福州大学的研究团队采用组合型磁控溅射技术结合化学气相沉积工艺制备柔性AZO/石墨烯/AZO叠层结构薄膜。首先，通过磁控溅射技术沉积掺铝氧化锌（AZO）层，然后利用化学气相沉积工艺生长石墨烯层，最后再次通过磁控溅射沉积AZO层。

2.2.2性能特点

将石墨烯引入AZO中可有效提高薄膜的电导率，提升薄膜在多次弯曲之后导电性能的稳定性，解决了薄膜应用于柔性有机太阳能电池（FOSC）的技术障碍。随着AZO厚度的增大，薄膜的表面粗糙度明显降低，有利于降低器件的漏电流，提高电荷传输效率，进而提升柔性光伏器件的光电转换效率。随着AZO厚度的增加，石墨烯/AZO薄膜的平均光学透过率增大，但当AZO厚度超过50nm时，平均透过率开始下降。在电学测试中，经过120次弯曲的薄膜其方块电阻为40Ω，显示出良好的机械弯曲性能稳定性。

2.3“碳焊”结构单壁碳纳米管透明导电薄膜

2.3.1制备工艺

中国科学院金属所成会明院士和刘畅研究员等人采用浮动催化剂化学气相沉积方法制备出具有“碳焊”结构的单根分散的单壁碳纳米管（SWCNT）透明导电薄膜。通过控制SWCNT的形核浓度，使所得薄膜中约85%的碳管以单根形式存在，其余主要为由2-3根SWCNT构成的小管束。进而，通过调控反应区内的碳源浓度，在SWCNT网络的交叉节点处形成“碳焊”结构。

2.3.2性能特点

该薄膜具有出色的光电性能。未经任何后处理的SWCNT透明导电薄膜在90％透光率（550nm波长可见光）下的面电阻仅为41ohm□?1，并具有优异的均匀性、化学稳定性和柔韧性。经HNO?掺杂后，其在90％透光率下的电阻进一步下降至25ohm□?1。这种超高的光电性能主要归因于独特的碳焊结构和单分散的SWCNT网络。碳焊结构将半导体性和金属性SWCNTs之间的肖特基接触转变为近欧姆接触，有效降低了碳管间的接触电阻；单分散的SWCNTs在提供有效电子传输的同时，保持了最低的吸光率。

2.4新型聚酰亚胺-离子烯杂化材料（PIIHs）薄膜

2.4.1制备工艺

北京化工大学刘瑶、刘文旭团队通过将均苯四甲酸二亚胺（PMD）单元嵌入离子烯骨架，开发出两种PIIHs材料：PMD-DI和PMD-PD。通过