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新型透明導(dǎo)電薄膜開辟光伏技術(shù)全新應(yīng)用領(lǐng)域
2022年10月14日 10:35:19
來源：化工儀器網(wǎng) 點擊量：4904
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】近年來，電子產(chǎn)品可以貼身穿戴監(jiān)控各項健康指標(biāo)、超薄柔屏電視和智能手機(jī)可以任意折疊用于展示、有機(jī)電子感應(yīng)材料可以用于制造人造皮膚以治療灼傷……這些以往只能夠在科幻電影中才能看到的場景，已經(jīng)逐漸出現(xiàn)在我們的日常生活中，而這一切都得益于有機(jī)半導(dǎo)體的迅猛發(fā)展。
有機(jī)半導(dǎo)體是具有半導(dǎo)體性質(zhì)的有機(jī)材料，其導(dǎo)電能力介于金屬和絕緣體之間，具有熱激活電導(dǎo)率且電導(dǎo)率在10-10～100S·cm-1范圍內(nèi)的有機(jī)物。與以硅為代表的無機(jī)半導(dǎo)體材料相比，有機(jī)半導(dǎo)體具有成本低、材料多樣、功能可調(diào)、可柔性印刷制備等諸多優(yōu)點，這使得有機(jī)光伏可突破“硅光伏”的諸多局限。
然而，有機(jī)光伏要想順利走向市場，還有一個關(guān)鍵問題需要解決，那便是要研制出可適用于高性能有機(jī)光伏器件的透明電極材料。目前，有機(jī)光伏器件的正面一般采用具有高透光性的透明電極材料，以保證光線能夠高效的進(jìn)入器件內(nèi)部，并通過這種材料進(jìn)行高效的光電轉(zhuǎn)換。同時，該材料還必須具備高導(dǎo)電率，以實現(xiàn)光轉(zhuǎn)化的電流以最低的損耗從光伏器件中導(dǎo)出。
免氧化銦錫(ITO)是一種有機(jī)光伏器件最常用的透明電極材料，具有高導(dǎo)電率、低光學(xué)吸收率、高表面平整度等顯著優(yōu)點，但銦元素是稀有金屬，地殼分布量小且分布較為分散，價格昂貴。ITO的使用會大幅提高有機(jī)光伏器件的制造成本。更重要的是，全球銦元素的預(yù)估儲量無法滿足有機(jī)光伏器件大規(guī)模工業(yè)化發(fā)展的要求。因此，尋找ITO的替代品就成為有機(jī)光伏邁向市場的關(guān)鍵之一。
氧化鋅一直被研究者們認(rèn)為是可替代ITO的非常理想的透明電極材料。在早期研究中，一般通過元素?fù)诫s，如鋁摻雜、鎵摻雜、硼摻雜或氟摻雜，來提高氧化鋅的導(dǎo)電率。然而，元素?fù)诫s不僅降低了氧化鋅薄膜的透光率，也會影響有機(jī)光伏器件的使用壽命。因此，在有機(jī)光伏器件的實際使用中，元素?fù)诫s的氧化鋅并未得到廣泛使用。
為了讓原本導(dǎo)電率極低的氧化鋅保持持續(xù)高效的導(dǎo)電率，東華大學(xué)先進(jìn)低維材料中心特聘研究員唐正課題組基于紫外光摻雜技術(shù)，創(chuàng)新性開發(fā)了一種不需要元素?fù)诫s，便可大幅提高氧化鋅導(dǎo)電率的策略。
研究人員通過通過多次逐層沉積工藝，制備多層薄膜，來提高氧化鋅薄膜中的氧空位的濃度，從而大幅提高紫外光摻雜的效率。氧化鋅吸收紫外光后會產(chǎn)生電荷，電荷越多，導(dǎo)電性越高。隨著紫外光的消失，電荷也逐漸消失。氧空位的作用就是讓氧化鋅產(chǎn)生更多的電荷，并保證電荷不會消失，成為一個持續(xù)擁有電荷的導(dǎo)體。
他們成功將紫外光摻雜后的氧化鋅的導(dǎo)電率提高到了500西門子/厘米，比早期研究報道的紫外摻雜的氧化鋅薄膜的導(dǎo)電率高了2—5倍。同時，薄膜厚度可以簡單的通過提高氧化鋅薄膜的沉積次數(shù)來得到提升，實現(xiàn)了高性能有機(jī)光伏器件透明電極材料所需要具備的技術(shù)要求。由于逐層沉積工藝制備出的紫外摻雜氧化鋅薄膜還具有紫外屏蔽作用，這相當(dāng)于給有機(jī)光伏器件擦了一層“防曬霜”。相對于基于ITO的器件，其展示出了更加優(yōu)異的器件使用壽命。
未來他們還將通過使用狹縫擠壓涂布法等工業(yè)化兼容的薄膜沉積法，制備具有更大面積的逐層沉積的紫外光摻雜氧化鋅薄膜或?qū)⒅朴袡C(jī)光伏市場化進(jìn)程。我們期待有機(jī)光伏技術(shù)不僅可以與傳統(tǒng)的“硅光伏”技術(shù)形成應(yīng)用互補(bǔ)，同時也會開辟光伏技術(shù)全新的應(yīng)用領(lǐng)域。
例如，有機(jī)光伏器件可以在弱光環(huán)境下，通過吸收環(huán)境光、室內(nèi)光，對室內(nèi)的電子元件進(jìn)行持續(xù)供電，因此可以解決電子元件依賴外部電源這一嚴(yán)重制約物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的問題，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展。
(資料來源：科技日報)
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