有機(jī)光伏器件的透明電極材料主要是氧化銦錫(ITO)，而銦元素是稀有元素，因此，ITO的使用會大幅提高有機(jī)光伏器件的制造成本，嚴(yán)重阻礙有機(jī)光伏技術(shù)的市場化發(fā)展。目前常見的，用于替代ITO的透明導(dǎo)電材料有PEDOT:PSS、金屬納米線、摻雜金屬氧化物等。然而，這些材料一般在近紅外波段具有較強(qiáng)的吸收系數(shù)，因此，基于這些透明導(dǎo)電材料的有機(jī)光伏器件在近紅外波段存在較高的量子效率損失。非刻意摻雜過的金屬氧化物半導(dǎo)體材料，如溶膠凝膠法制備的氧化鋅(ZnO)薄膜材料，一般在近紅外波段具有較高的光學(xué)透過率，但是這類材料的導(dǎo)電率過低，因此，無法被用作有機(jī)光伏器件的透明電極薄膜。因此，開發(fā)性能更為優(yōu)異的，可以用于替代有機(jī)光伏器件中的ITO的透明導(dǎo)電材料對于有機(jī)光伏器件市場化發(fā)展極為重要。

東華大學(xué)唐正課題組與蘇黎世應(yīng)用科技大學(xué)的Wolfgang Tress教授合作，通過多次沉積法及紫外光摻雜效應(yīng)，大幅提高了溶膠凝膠法制備的ZnO薄膜的導(dǎo)電率(高至460 S cm^-1)，并成功將其用于構(gòu)建有機(jī)光伏器件，實(shí)現(xiàn)了免ITO有機(jī)光伏器件性能的突破。

在該研究工作中，論文作者首先是通過顯微光譜學(xué)表征手段，明確了溶膠凝膠法制備的ZnO薄膜在紫外光摻雜作用下的導(dǎo)電率提升源自ZnO晶體中的氧空位對光生空穴的捕獲作用。隨后，作者推斷氧空位的形成局限于ZnO晶體的表界面處，因此，通過設(shè)計(jì)如圖1所示的多次沉積工藝，制備多層ZnO薄膜，提升了ZnO薄膜中的氧空位濃度，在維持了ZnO的高透過率的前提下，提高了ZnO薄膜的紫外光摻雜效果，以及ZnO在光摻雜后的導(dǎo)電率(圖2)。

最終，作者將多層ZnO用作透明電極構(gòu)建了有機(jī)光伏器件。測試結(jié)果顯示，得益于多層ZnO電極的高導(dǎo)電率以及高光學(xué)透過性，基于ZnO的有機(jī)光伏器件展現(xiàn)出了優(yōu)異的、可媲美基于ITO的有機(jī)光伏器件的光電轉(zhuǎn)換性能(圖3)。此外，作者還將多層ZnO電極用于構(gòu)建有機(jī)光探測器及發(fā)光二極管等其他光電器件，并實(shí)現(xiàn)了器件性能的突破。

綜上，論文作者開發(fā)了一種基于溶液加工ZnO的、具有高導(dǎo)電率和高光學(xué)透過率的透明導(dǎo)電薄膜，明確了該薄膜材料的導(dǎo)電機(jī)制，并構(gòu)建了基于該材料的有機(jī)光電器件，為提高免ITO有機(jī)光伏器件的性能提供了新的思路。該研究工作獲東華大學(xué)、國家自然科學(xué)基金以及上海市科委的資助。