SUSTech の Deng Weiwei 氏のチーム: 有機光起電合金電極の直接描画印刷!

出典：南方科技大学

有機太陽電池は、新世代の再生可能エネルギーです。その最大の利点は、軽量、薄型、そして溶液処理による低コストの連続印刷製造の可能性です。現在、有機太陽電池の上部電極の主流の製造方法は真空蒸着法です。真空チャンバーに出入りする際、ポンピングと脱ガスのプロセスが面倒で時間がかかり、これが有機太陽電池の完全印刷製造の開発を妨げるボトルネックとなっています。有機太陽電池用上部電極の連続印刷製造をどのように実現するかは、工業化プロセスが直面する重要な課題の 1 つです。低融点合金には、仕事関数が低く、電気伝導性が高く、高温焼結が不要で、溶融状態で印刷法によって製造できるなど、有機太陽電池の上部電極として適した多くの利点があります。融点が62℃のフィールズメタル（ビスマス32.5%、インジウム51%、スズ16.5%）は太陽光の下でも固体のままです。融点は有機太陽電池を損傷せず、鉛などの有毒元素も含まないため、有機太陽電池の電極材料として最適です。

最近、南方科技大学機械航空工学部の鄧偉偉教授率いるチームは、有機太陽電池の上部電極として低融点合金の印刷を実現しました。研究チームは、フィールズ合金を直接描画するための印刷装置を設計し、印刷プロセスにおける主要な流体力学の問題を研究し、非蒸発電極有機太陽電池の最高効率を達成しました。関連する研究結果は、「有機太陽電池用トップ電極としての低融点合金の印刷」というタイトルでAdvanced Optical Materialsに掲載されました。 SUSTechの2022年博士課程学生であるYu Boyangと、2020年修士課程学生であるLiu Linnaが共同筆頭著者です。 SUSTech先端学際科学研究所研究准教授のZhao Xinyan氏と機械・航空工学部の教授のDeng Weiwei氏が共同責任著者である。 SUSTech は、この論文の最初のユニットです。

チームが使用する印刷技術は、一般的な熱溶解積層法です (図 1a)。印刷装置には、シリンジの周囲に巻き付けられた一定温度加熱システムが含まれており、合金を溶融状態に保つことができます。シリンジのプッシュロッドはステッピングモーターによって駆動され、制御プログラムを介してベースの xyz 方向とリンクされ、溶融合金の正確な押し出しと引きずり (つまり、「印刷」) を実現します。

研究チームは、プリントヘッドと基板間の距離（印刷ピッチ）が印刷結果に大きな影響を与えることを発見しました。印刷間隔の臨界値は、溶融合金の毛細管スケールと密接に関係しており、これにより、熱溶解積層法では、印刷間隔が毛細管スケールに匹敵する場合のドラッグモード (遠距離場モードとも呼ばれる) と、印刷間隔が毛細管スケールよりはるかに小さい場合のせん断モード (または近接場モード) の 2 つの異なる印刷モードを実現できます。研究チームは、これら 2 つの印刷モードを使用して電極を印刷し (図 1b)、D18:Y6 活性物質 (図 1c) に基づく有機フィルム上に棒状電極と薄板電極 (図 1d) を印刷しました。セルの最大効率は 16.44% に達し、これは現在文献で報告されている非真空蒸着電極に基づく有機太陽電池の最高効率です。
ドラッグモード（図2a）では、押し出し速度と移動速度の比が大きい場合、液体出力が棒状電極を形成するのに必要な流量を超え、小さなビーズが形成されます（青色の領域）。押し出し速度と移動速度の比が非常に小さい場合、押し出し量が連続電極を形成するのに十分ではなく、不連続なトレースが形成されます（赤色の領域）。これら2つの速度の比が適切な範囲（0.2〜0.35）にある場合、均一で連続した棒状電極が形成されます（緑色の領域）。せん断モードで印刷された薄膜電極の断面図と上面図を図 2b に示します。印刷ギャップが 100 ミクロン未満の場合は、連続した平板電極を形成でき、印刷ギャップが減少するにつれて、電極の幅と厚さの比率が徐々に増加し、電極材料の節約につながります。

この研究では、真空蒸着の代わりに単純な印刷法を使用して上部電極を準備し、常圧下で有機太陽電池を連続的に準備するための新しいメカニズムと方法を提供します。さらに、本研究で研究した低融点合金を電極として直接描画する印刷は、有機半導体デバイスに普遍的であり、有機発光ダイオードや量子発光ダイオード（OLEDやQLED）などの光電子デバイスにも適しており、高性能な新しい光電子デバイスを製造するための印刷方法に新しいプロセス方法と研究アイデアを提供することができます。中国国家自然科学基金と深圳市ソフト材料力学・知能製造重点実験室のご支援に感謝申し上げます。

論文リンク: https://doi.org/10.1002/adom.202201977

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