随着可穿戴电子设备的发展，具备可拉伸性能的太阳能电池成为了理想的离网能源选择。传统的有机太阳能电池虽然效率高，但在面对拉伸时会出现性能下降。液态金属作为可拉伸电极的材料，以其优异的导电性和可拉伸性，成为了研究的重点。然而，使用液态金属的传统喷涂工艺存在问题，如金属颗粒表面形成氧化层，阻碍电荷传输，导致电池效率下降。此外，电极与基底层的附着性差，也限制了电池的拉伸性能。因此，开发一种既能提供高导电性又具备优异拉伸性能的液态金属电极结构至关重要。近日， Jung-Yong Lee教授团队开发了一种新型的液态金属电极结构，即InMiG电极架构，采用铟、金属中间层和镓的组合，通过热蒸发工艺制备而成。这种结构中的铟层有效分散机械应力，避免了裂纹的生成和扩展；金属中间层提高了镓的润湿性和导电性，使镓能够均匀覆盖基底，形成光滑的薄膜。与传统的喷涂工艺相比，这种电极展示出了显著的性能提升。实验结果表明，基于InMiG电极的太阳能电池在14.6%的PCE下拉伸63%时，仍能保持70%的初始PCE。此外，InMiG电极的电荷提取效率、填充因子以及机械稳定性也显著提升，表现出其在可穿戴电子等领域的应用潜力。![]()
图1: a) 可拉伸有机太阳能电池（IS-OSCs）中顶电极的沉积方法；b) 通过喷涂法制备的EGaIn电极的示意图、扫描电子显微镜（SEM）图像和光学显微镜（OM）图像；c) 通过物理气相沉积（PVD）方法制备的InMiG电极的SEM和OM图像；d) 包含不同金属中间层的电极的片电阻、表面能、表面粗糙度和空隙率；e) 基于SEM图像测定的InMiG电极的镓覆盖率；f) 在各种电极下，可拉伸电极在拉伸应变下的电阻变化。
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图2: a) 分析了不同铟层厚度对InCuG电极电阻变化的影响；b) 不同铟层厚度下InCuG电极的应力-应变关系；c) InCuG电极的杨氏模量和裂纹起始应变；d) TPU和铟簇之间的临界附着力，通过纳米划痕测试获得；e) 被划痕样品的SEM图像，白色方框标记了因划痕测试导致铟层脱层的区域。
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图3: a) IS-OSCs中两种液态金属沉积技术的示意图；b) 在1太阳光照下S-EGaIn（灰色）和InCuG（紫色）IS-OSCs的J-V特性曲线；c) 基于不同顶电极制造工艺的光电转换效率（PCE）的统计光伏参数；d) IS-OSCs的标准化瞬态光电流响应；e) IS-OSCs中通过频率依赖电容测量推导出的陷阱态密度分布。
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图4: a) IS-OSCs在拉伸应变下的标准化PCE；b) 在不同应变下IS-OSCs的开路电压（VOC）；c) IS-OSCs在暗态下的J-V特性下导出的分流电阻；d) 使用S-EGaIn（左）和InCuG（右）电极的IS-OSCs在拉伸应变下的OM图像；e) 在60%应变下IS-OSCs的电流密度速率变化；f) 使用S-EGaIn和InCuG电极的IS-OSCs在拉伸应变下的标准化外量子效率（EQE）变化；g) 在拉伸应变下使用不同顶电极的IS-OSCs的机械性能示意图。
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图5: a) IS-OSCs在快速热循环中的标准化PCE变化；b) 热循环测试后S-EGaIn（左）和InCuG（右）电极的OM图像；c) IS-OSCs在20%应变下的循环测试中的标准化PCE变化；d) 在环境条件（室温和40%相对湿度）下，无封装的IS-OSCs的标准化PCE变化；e) 已报道的IS-OSCs的PCE和可拉伸性比较。
论文链接：https://doi.org/10.1039/D4EE03406F
