最新Nat. Energy: 醇分散导电聚合物PEDOT:F实现稳定的可印刷的有机太阳能电池

文章亮点

1、通过采用全氟磺酸 (PFSA) 离聚物作为反离子在聚合过程中取代PSS反离子，获得了一种醇分散制剂PEDOT:F。

2、以PEDOT:F作为空穴传输层(HTL)，基于PM6:PC71BM:Y6活性层，通过全刮涂方式制备了有机太阳能电池(OSCs)和模组，功率转换效率分别达到了15%与13%。

3、完全可印刷OSCs器件显示出优异的工作稳定性，在1330小时连续光照下仍能保持初始效率的83%，有助于促进OSCs向大面积模组的高通量生产发展。

4、醇分散PEDOT:F在加工、稳定性和电性能方面均优于PEDOT:PSS，可广泛应用于抗静电涂料、光伏、发光二极管、电容器、可充电电池、热电和生物电子学等领域。

前沿导读

导电聚合物PEDOT:PSS是一种广泛使用的可印刷HTL，具有高导电性、透明性和易于加工的优点，且无需对材料进行严格的后处理。但常用的PEDOT:PSS是水溶液的形式存在，并且具有强酸性(经典配方: AI 4083和PH1000, pH值范围1.0-2.5)，会导致器件稳定性出现问题。

PEDOT:PSS的特性由其组成和结构决定。PEDOT:PSS是带正电的PEDOT离聚物和带负电的PSS离聚物的混合物，它们通过静电相互作用结合并分散在水中。PEDOT是电掺杂下导电的，但溶解度很差。PSS组分在充当抗衡离子平衡PEDOT电荷的同时，还充当着分散剂以保证溶液的可加工性。PEDOT:PSS的缺点与抗衡离子PSS和加工溶剂水有关：PSS具有吸湿性，质子化PSS在水中具有高解离速率，而使其水溶液呈酸性。

通过更换抗衡离子或加工溶剂，可以避免这些缺点。乙醇是替代水的一个很好的选择，因为它具有低的表面张力和良好的润湿性，并且酸在乙醇中的解离速率比在水中低得多，从而能够抑制酸度。然而，包括PSS在内的大多数阴离子聚合物是不溶于醇溶剂的。

PFSA离聚物被广泛用作电化学技术中的固体电解质，特别是聚合物电解质燃料电池中的质子交换膜和氯碱工业中的钠离子导体。它们还被用作水性PEDOT分散体中的添加剂与抗衡离子，以增加功函数以改善空穴注入，然而在那些水基配方中，酸性、吸湿性等问题仍然存在。

在这项工作中，周印华团队寻找了一种替代的离聚物抗衡离子，确定了全氟磺酸 (PFSA)是很好的候选者。PFSA具有疏水性聚四氟乙烯骨架和由亲水性磺酸基团封端的全氟乙烯基醚侧链，这些结构特征使其具备两个溶解度参数。而由于其具有两个溶解度参数，使其能够分散在水和乙醇中。本文以PFSA作为抗衡离子，合成了PEDOT的乙醇分散制剂PEDOT:F，并探究了其在有机太阳能电池、完全可印刷太阳能电池领域的应用前景。

图文速读

图1. 聚合物反离子在水和乙醇中的溶解。a) PEDOT和PFSA离聚物的化学结构和PEDOT：F配合物的示意图。(PEDOT结构的黑色和PFSA结构的橙色分别表示它们分别带正电荷和带负电荷，蓝色虚线表示它们之间的静电相互作用)。b) PSS和PFSA分别在水中和乙醇中的溶解图(黑色箭头表示未溶解的PSSH固体)。

图2. 醇基PEDOT:F与传统PEDOT:PSS的性质对比。a) 含水的PEDOT:PSS配方和酒精分散的PEDOT:F配方在疏水的PM6:PC71BM:Y6有机活性层上的接触角。b) PEDOT:F和PEDOT:PSS薄膜浸泡在水中的不同时间，用蓝色箭头表示。c) 涂覆水分散PEDOT:PSS和醇分散PEDOT:F前后氧化锌薄膜的吸光谱（灰色虚线椭圆形处的位置表示来自氧化锌的吸收）。d) 不同反离子比的PEDOT:F膜和PEDOT:PSS膜的功函。每种PEDOT薄膜分别制备了20个样品。方框、正方形符号和水平条分别表示25-75百分位数、平均值和最小值/最大值。

图3. 醇分散PEDOT:F的普遍性验证。a) OSCs中使用的聚合物供体和受体的化学结构。b)具有不同活性层OSCs的PCE，分别使用蒸发的三氧化钼和PEDOT:F作为HTL。c) PEDOT:F、PEDOT:PSS和蒸发三氧化钼为HTL的OSCs的电流密度-电压(J-V)特性。d) 基于PEDOT:F为HTL的不同厚度PEDOT:F和e) 不同退火温度OSCs的J-V特性曲线。

图4. PEDOT:F为HTL的完全可打印OSCs的器件性能。a) 完全可打印OSCs的器件结构(除喷涂制备的顶部AgNWs电极外，电池的每一层都由刮涂方法制备)。b) 小面积(0.041 cm2) PM6:PC71BM:Y6活性层OSCs的J-V特性曲线。插图显示了从30个设备中获得的PCE直方图。c) PEDOT:F和PEDOT:PSS作为HTL的长期器件运行稳定性。PEDOT：F-和PEDOT：PSS基全包被电池的初始效率分别为14.62%和10.69%。d) 大面积(12.2 cm2)全刮涂模组和7个子单元的图片。e) 具有1到7个子单元的全刮涂模组的J-V特性曲线。f) 本文结果（红星）和文献中报道的结果（黑色和灰点）的效率比较。

总结

本文报道了醇分散导电聚合物PEDOT: F的合成方法，并将其作为HTL制造了高性能全印刷有机太阳能电池。通过使用PFSA离聚物作为抗衡离子来替代传统的PSS，制备了醇分散的PEDOT: F。醇分散PEDOT: F有效避免了水分散PEDOT: PSS所存在的酸性、吸湿性，而导致器件性能和稳定性差的缺点，并被证明能够高效地从活性层中提取空穴，在正置和倒置器件中均具有合适的HOMO能级。

完全可打印的电池在小面积(0.041 cm2)与模组(12.2 cm2)上分别显示出15%与13%的PCE，并具有良好的工作稳定性，且在1330 h连续光照下仍能保持初始效率的83%。醇分散的PEDOT: F在加工和稳定性方面优于水性PEDOT: PSS，能够进一步拓宽导电聚合物在这些领域的应用。