用于柔性OPV的导电聚合物材料:Orgacon™ PEDOT:PSS

介绍

全球日益增长的能源需求为价廉环保的新技术创造了机遇。有机光伏(OPVs)是太阳能发电领域的最新一代技术,通过涂层和印刷形成了成本低、重量轻、高度自动化的卷对卷批量生产工艺,同时还具有灵活性等特点。通过溶液加工聚合物或小分子的有机光伏系统在过去十年中已被广泛深入地研究,基础知识得到拓展并成功开发出商业化技术。

Agfa凭借其工业涂料和印刷专业特长,推出了一系列Orgacon™产品,利用印刷技术(例如槽模涂层、旋涂、喷墨或丝网印刷)在柔性或刚性基材上实现经济高效的OPV制造1-3。Orgacon™ 产品基于专利导电聚合物聚(3,4-亚乙基二氧噻吩):聚(4-苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS),性质和功能可根据所需的制造工艺和应用而定制 (表 1)。


表1.用于柔性OPV的Orgacon™材料

货号 固体含量
(%)
pH 粘性
(mPa•s)
表面张力 (mN/m) 表面电阻 (Ohm/sq)* 功函数 (eV) 加工 应用
Orgacon HIL-1005
(768642)
1.0 1.9 10 34 110 5.2-5.4 槽模涂层和旋涂 HIL
Orgacon IJ-1005 (739316) 0.8 2.0 10 33 110 5.2-5.4 Inkjet Printing HIL
ITO

其他
Orgacon S305 (739340) 0.8 2.3 17 19 130 不适用 槽模涂层 ITO

其他
Orgacon EL-P 5015 (768650) 5.0 1.5 113 000 N/A 635 不适用 丝网印刷 ITO

其他
Orgacon N-1005 (739324) 1.2 7.0 36 52 170** 不适用 槽模涂层和旋涂 串联电池
*550 nm波长透射率为90%的涂层,无基材吸收和反射损失
**添加高沸点溶剂

上述所有数据均为代表值,不构成技术规格

     

图1显示当聚苯乙烯磺酸存在于EDOT单体聚合时,产生PEDOT:PSS水分散体。相对于其他导电聚合物,PEDOT:PSS具有相当高的导电性和透明度,且能够低成本地卷对卷批量生产,并可应用于柔性基材,因此成为有前途的制造光电子有机器件的材料。

 

Chemical structure of PEDOT:PSS


图1. PEDOT:PSS的化学结构

     

常规和倒置的OPV电池

OPV电池由多层结构组成,包括阳极层、空穴注入层(HIL)、光敏层,电子传输层(ETL)和阴极层。PEDOT:PSS分散体由于功函数高,透明性好以及可在氧化铟锡(ITO)上形成均匀薄层而在有机光伏器件中作为HIL的材料。ETL材料通常由电子导体组成,例如氧化锌或二氧化钛纳米粒子。OPV器件的几何形状决定了应用于氧化铟锡上的HIL和ETL材料的分层结构。

单电池模块可以具有两种不同的OPV几何形状:常规和倒置(图2)。常规电池通常阳极是ITO,阴极是功函数低于ITO(如铝,锂)的金属。倒置电池阴极是ITO,阳极是功函数高于ITO(如银)的金属。两种几何形状各有其优缺点。常规OPV电池更易测量且层数较少;但倒置有机光伏电池更稳定且能效更高。

OPV architectures and Corresponding Energy Level Diagrams for A) Regular and B) Inverted Geometries

图2. A)常规和B)倒置几何形状的OPV结构和对应能级图(改编自参考文献4

在OPV电池的光敏层中,阳光照射产生正电荷载体和负电荷载体。这些载体在阴极和阳极分离和收集形成电路。在此过程中,空穴注入层(HIL)由于匹配阳极能级(图2A)因此对于有效地从光敏层中提取正电荷至关重要。用作HIL层的PEDOT:PSS(如Orgacon HIL-1005(货号768642)或IJ-1005(货号739316))对于制造性能高效一致的印刷太阳能电池是必不可少的。

现有的ITO材料性能较差,如刚性/非柔性、脆性和高成本,导致人们更加努力地寻找替代品。其中一种方法是用印刷或涂覆的金属(如银)网格代替ITO阳极/阴极。常规OPV电池的印刷金属网格涂覆PEDOT:PSS空穴注入层(Orgacon HIL-1005(产品编号768642)或IJ-1005(产品编号739316)),同时充当平面化层。对于旋涂应用,图3给出了基于粘度和旋转速度的预估层厚度等高线图。

Predicted layer thickness contour plot.

图3. 预估层厚度等高线图。

这种银-网格 / PEDOT:PSS有机光伏常规器件的寿命稳定性能如图4所示。显然含有PEDOT:PSS阳极(Orgacon HIL-1005(货号768642))的金属盖封装器件或在玻璃基材上涂覆PEDOT:PSS(Orgacon HIL-1005(货号768642))的银网格阳极比未涂覆PEDOT:PSS的ITO阳极的对应器件具有更好的稳定性。在高端的箔上阻隔基板制作并使用薄膜封装的银-网格 / PEDOT器件可得到类似的结果。

倒置几何形状的OPV电池可在PEDOT:PSS空穴注入层上印刷(如丝网印刷)金属网格。目前倒置的几何形状是首选结构,通过底部和顶部透明(网格)电极与PEDOT:PSS薄层结合,可完全替代ITO电极,从而制造出透明的OPV器件。透明度和能效更高的OPV电池结构对于建筑一体化光伏(BIPV)等应用十分有意义。

 

 Life time: stability of ITO-less OPV regular devices. Access to glass and/or foil compatible encapsulation.

图4. 寿命:无ITO的OPV常规器件的稳定性。获得玻璃和/或箔兼容封装。参考文献5

     

串联太阳能电池

为了提高OPV系统的能效,人们正在研发多层串联太阳能电池等新架构,以便吸收更大范围的太阳光谱(图5)。在单节OPV电池中,能量小于带隙的光子不能被吸收,而具有较大能量的光子会通过热平衡失去多余的能量。串联太阳能电池可以通过组合独立的子电池来减少这样的损失,而子电池分别吸收太阳光谱的不同波长。 在串联太阳能架构中,使用气相沉积的氧化锌或溶液处理的氧化锌纳米颗粒及pH中性的PEDOT:PSS(Orgacon N-1005(货号739324))的叠层作为复合层。

 

Tandem Solar Cell

图5.串联太阳能电池(改编自参考文献6

     

总结

Agfa Orgacon™ OPV产品线可提供槽模和旋涂配方以及喷墨和丝网印刷油墨。Orgacon HIL-1005(货号768642)和IJ-1005(货号739316)专门用作HIL材料,可通过槽模涂层、旋涂或喷墨印刷应用。该配方针对诸如玻璃,PET,PEN或光敏材料(如P3HT / PCBM)的表面涂层进行了优化。根据需要,可添加极少量的非离子表面活性剂进一步优化表面张力。异丙醇(IPA)等醇类也可帮助优化润湿性能,如在P3HT / PCBM表面。Orgacon N-1005(货号739324)是一种pH中性的PEDOT:PSS配方,可用作串联有机光伏电池的复合层,通过槽模和旋涂应用。Orgacon S305(货号 739340)和Orgacon EL-P 5015(货号768650)丝网印刷油墨通过在金属网格上印刷形成高度透明的阳极,非常适合作为ITO替代品的应用2

 

     

商标

Orgacon是Agfa-Gevaert N.V的商标。

     

材料