【材料】基于“类斑马线”不对称异质结阵列的柔性、高光生电压（>100 V）的光电器件- 大数跨境

【材料】基于“类斑马线”不对称异质结阵列的柔性、高光生电压（>100 V）的光电器件

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2023-01-06

导读：南京大学化学化工学院张磊教授团队报道了通过纳米组装技术即双自对准技术制备“类斑马线”的不对称异质结阵列。

光电器件是实现光电转换的核心，通过设计具有特殊结构的器件或者采用具有特定结构的分子材料来实现光电转换效率最大化一直是人们追求的目标。理想的光诱导高电压输出有潜力成为未来光伏设备新的特定要求，例如，受高压驱动的功能性介电材料。迄今为止，单节太阳能电池受到可见光光子能量的限制，输出电压通常低于2 V，而在多节太阳能电池中，受限于级联个数和光的透过率，级联器件的输出电压依然低于10 V。如何在柔性基底上获得高压输出的光伏器件这是一个挑战。

最近，南京大学化学化工学院张磊教授团队报道了通过纳米组装技术即双自对准技术制备“类斑马线”的不对称异质结阵列。这种不对称异质结能够在5 × 4 mm²的面积上集成500个周期性单元，同时产生高达140 V的光生电压。体异质结聚3-己基噻吩（P3HT）和[6，6]－苯基－C61－丁酸异甲酯（PCBM），p-n异质结 P3HT和N,N′-二辛基-3,4,9,10-二甲酰亚胺（PTCDI-C8）超分子纳米线被用作光电转换材料，沉积在不对称双金属纳米结构上。该团队通过优化器件结构和异质结界面获得最大的光生电压。

该团队首先通过光刻剥离和热沉积技术在基底上沉积金电极，然后以不透明的金电极图案自身作为模板进行背光刻，利用光的衍射，金电极边缘上的光刻胶会有一定距离的缩进，漏出裸露的金电极，这是器件制备成功的关键。接着利用倾斜蒸镀沉积铝电极，完成器件结构的制备。铝电极一侧与金电极形成亚微米的间隙，作为沟道，另一侧与金电极重叠，连接下一个子电池，通过多次重复此结构，完成了电压收集，实现高压输出。

图1. 器件制备流程图

该团队在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）柔性基底上制备了500个周期性重复单元，该器件产生了140 V光生电压。同时，探究了柔性器件的机器弯曲稳定性。在重复500次的弯曲循环后以及不同的弯曲半径下，输出电压依然保持了其初始值的90%以上，这说明器件具备良好的机械弯曲稳定性。

图2. 柔性器件的光伏性能

该团队制备了一系列不同金铝占比的器件。随着器件中金占比从20% 增加到80% ，输出电压也从5 V 增加到23 V。这说明Au/P3HT作为激子分离界面，在纳米结构的光生电压中起着关键性的作用。

图3. 不同Au/Al 比器件的光伏性能

综上所述，张磊教授团队设计了一种“类斑马线”不对称异质结阵列，该阵列在0.2 cm^-2的面积上产生140 V 的光生电压。相关的研究成果最近发表在Advanced Materials 上，南京大学化学化工学院研究生郑鸿娴、欧彩玲和黄鑫鑫为共同第一作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

A Flexible, High-Voltage (>100 V) Generating Device Based on Zebra-like Asymmetrical Photovoltaic Cascade

Hongxian Zheng, Cailing Ou, Xinxin Huang, Baichuan Jiang, Wenbin Li, Jun Li, Xiao Han, Chuanhui Liu, Zixiao Han, Tingyu Ji, Paolo Samorì, Lei Zhang

Adv. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202209482

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