Joule中科院侯剑辉团队：醇分散 PEDOT-OH:PSS解决酸性腐蚀痛点有机叠层电池效率突破21.7%！

2026-02-03 13:48:23 光焱科技股份有限公司

醇分散型导电聚合物 PEDOT-OH:PSS 在高效有机太阳能电池中的应用

研究背景与技术瓶颈

传统水系 PEDOT:PSS 由于其高表面张力特性，在疏水性塑料基底上的润湿能力较差，限制了大面积柔性器件（Flexible Devices）的印刷制备良率。此外，其强酸性特质在传统叠层（Tandem）电池架构中存在隐患，容易腐蚀下层的氧化锌（ZnO）电子传输层，导致界面劣化，阻碍高效能互连层（ICL）的稳定形成。

研究团队与期刊信息

该研究由中国科学院化学研究所（ICCAS）的侯剑辉研究员与崔勇副研究员团队完成。相关成果发表于能源领域期刊《Joule》。

材料设计与解决策略

研究团队通过引入羟甲基官能团化单体（EDOT-OH），设计并合成出一类可分散于异丙醇（IPA）的导电聚合物 PEDOT-OH:PSS。该策略利用羟甲基增强溶质与醇类溶剂及 PSS 之间的氢键作用，成功将分散介质由水替换为异丙醇，从而大幅降低溶液表面张力并抑制 PSS 的解离。该材料不仅改善了在疏水基底上的成膜性，更因酸性显着降低，实现了与 ZnO 电子传输层的兼容性，适用于构建全溶液制备的高效叠层电池互连层。（Fig.1）

核心研究成果

柔性模组效率提升：PEDOT-OH:PSS 在 PET/ITO 基底上的接触角降至 16.1°（对照组为 88.4°）。利用刮涂（Blade-coating）制备的柔性大面积模组（32.0 cm²）实现了 15.0% 的光电转换效率（Fig. 3）。

叠层电池效率记录：将 ZnO/PEDOT-OH:PSS 结构应用于传统叠层有机太阳能电池的互连层，器件展现出 1.93 V 的高开路电压（Voc）与 0.791 的填充因子（FF），最终达成 21.7% 的光电转换效率（第三方认证效率 21.5%）（Fig. 5, Table 1）。

界面稳定性与低酸性：电化学阻抗谱（EIS）显示PEDOT-OH:PSS 的电荷转移电阻（Rct）高达 2.34 kΩ（对照组仅 75.2 Ω），证实其在醇相环境中 PSS 解离受抑，显着降低酸性并避免了对 ZnO 层的化学腐蚀（Fig. 4）。

表征分析与数据验证

光伏性能与量子效率测试

为精确评估叠层电池与柔性模组的性能，研究团队在 J-V 特性测试中采用 Keithley 2400 搭配 AM 1.5G 太阳光模拟器，并严格控制扫描方向与速率。光谱响应验证方面，使用了Enlitech的QE-R量子效率测量系统进行外量子效率（EQE）光谱采集。

针对叠层电池，利用该系统的偏置光（Bias Light）功能，分别以 850 nm 与 500 nm LED 光源激发后电池与前电池，成功分离出各子电池的 EQE 响应（Fig. 5E）。经积分计算所得的电流密度（前电池 14.0 mA cm⁻²、后电池 14.1 mA cm⁻²）与 J-V 测试下的短路电流密度（14.2 mA cm⁻²）高度吻合，确认测试数据的准确性与电流匹配设计的合理性。光强校正采用 Enlitech SRC-2020 标准硅电池进行标定，确保数据可追溯。

团队使用 Enlitech SS-F5-3A 太阳光模拟器（SS-X）提供稳定的连续光照与聚光环境，进行组件的长效光照稳定性追踪（Fig. S13），确认了 PEDOT-OH:PSS 基组件具备与传统组件相当的优异光稳定性。

界面阻抗与载流子传输分析

为解析 PEDOT-OH:PSS 的低酸性机制及其对载流子（Carrier）传输的影响，团队进行了电化学阻抗谱（EIS）与 Mott-Schottky分析。EIS 结果显示，相较于水系 PEDOT:PSS 在低频区呈现电感行为，PEDOT-OH:PSS 表现出扩散控制特征与较大的 Rct，证实 H⁺ 离子浓度显着降低。

进一步通过 Mott-Schottky 曲线计算互连层的载流子浓度与耗尽区（Depletion Region）宽度（Fig. 4E, 4F），发现 ZnO 与 PEDOT-OH:PSS 界面分别形成了 16.1 nm 与 2.65 nm 的耗尽区。此数据说明 25-30 nm 的膜厚设计足以形成完整的内建电场，能有效促进电子与空穴（Hole）在互连层内的复合与传输，同时兼顾光学透过率。

薄膜润湿性与表面形貌表征

针对柔性基底加工的工艺兼容性，研究利用接触角测量仪与原子力显微镜（AFM）分析墨水的润湿行为与成膜形貌。数据显示，PEDOT-OH:PSS 墨水在未经处理的疏水性 PET 表面接触角仅 21.1°，优于水系墨水的 72.5°。AFM 图像（Fig. 3C）进一步证实，刮涂后的 PEDOT-OH:PSS 薄膜表面粗糙度（Rq）仅 1.71 nm，呈现出良好的均匀性与平整度。此流变特性解决了传统水系墨水干燥收缩与“咖啡环效应”问题，是实现大面积均匀成膜与提升柔性模组良率的关键物理基础。

结论

该研究开发的醇相分散 PEDOT-OH:PSS 解决了传统水系导电聚合物在酸性腐蚀与基底润湿性上的双重瓶颈。通过分子结构设计增强溶质-溶剂相互作用，该材料在保持高电导率与适宜功函数的同时，实现了对 ZnO 互连层的无损沉积与疏水基底的有效覆盖。此技术不仅将传统叠层有机太阳能电池效率提升至 21.7%，更为大面积、低成本的柔性光伏组件制备提供了一条具备高度可扩展性的技术路径。（Fig.5D）