Manipulating the Macroscopic and Microscopic Morphology of Large-Area Gravure-Printed ZnO Films for High-Performance Flexible Organic Solar Cells

Abstract

Gravure printing is a promising large-scale fabrication method for flexible organic solar cells (FOSCs) because it is compatible with two-dimension patternable roll-to-roll fabrication. However, the unsuitable rheological property of ZnO nanoinks resulted in unevenness and looseness of the gravure-printed ZnO interfacial layer. Here we propose a strategy to manipulate the macroscopic and microscopic of the gravure-printed ZnO films through using mixed solvent and poly(vinylpyrrolidone) (PVP) additive. The regulation of drying speed effectively manipulates the droplets fusion and leveling process and eliminates the printing ribbing structure in the macroscopic morphology. The additive of PVP effectively regulates the rheological property and improves the microscopic compactness of the films. Following this method, large-area ZnO:PVP films (28 × 9 cm²) with excellent uniformity, compactness, conductivity, and bending durability were fabricated. The power conversion efficiencies of FOSCs with gravure-printed AgNWs and ZnO:PVP films reached 14.34% and 17.07% for the 1 cm² PM6:Y6 and PM6:L8-BO flexible devices. The efficiency of 17.07% is the highest value to date for the 1 cm² FOSCs. The use of mixed solvent and PVP addition also significantly enlarged the printing window of ZnO ink, ensuring high-quality printed thin films with thicknesses varying from 30 to 100 nm.

Keywords

flexible organic solar cell / gravure printing / large-area flexible interfacial layer / rheology properties / zinc oxide

References

[1] D. Meng , R. Zheng , Y. Zhao , E. Zhang , L. Dou , Y. Yang , Adv. Mater. 2022, 24, e2107330.

[2] C. Li , J. Zhou , J. Song , J. Xu , H. Zhang , X. Zhang , J. Guo , L. Zhu , D. Wei , G. Han , J. Min , Y. Zhang , Z. Xie , Y. Yi , H. Yan , F. Gao , F. Liu , Y. Sun , Nat. Energy 2021, 6, 605.

[3] L. Zuo , S. B. Jo , Y. Li , Y. Meng , R. J. Stoddard , Y. Liu , F. Lin , X. Shi , F. Liu , H. W. Hillhouse , D. S. Ginger , H. Chen , A. K. Jen , Nat. Nanotechnol. 2022, 17, 53.

[4] Y. Wei , Z. Chen , G. Lu , N. Yu , C. Li , J. Gao , X. Gu , X. Hao , G. Lu , Z. Tang , J. Zhang , Z. Wei , X. Zhang , H. Huang , Adv. Mater. 2022, 24, e2204718.

[5] H. Zhao , B. Lin , J. Xue , H. B. Naveed , C. Zhao , X. Zhou , K. Zhou , H. Wu , Y. Cai , D. Yun , Z. Tang , W. Ma , Adv. Mater. 2022, 24, e2105114.

[6] Y. Zhang , K. Liu , J. Huang , X. Xia , J. Cao , G. Zhao , P. W. K. Fong , Y. Zhu , F. Yan , Y. Yang , X. Lu , G. Li , Nat. Commun. 2021, 12, 4815.

[7] J. Yuan , Y. Zhang , L. Zhou , G. Zhang , H.-L. Yip , T.-K. Lau , X. Lu , C. Zhu , H. Peng , P. A. Johnson , M. Leclerc , Y. Cao , J. Ulanski , Y. Li , Y. Zou , Joule 2019, 3, 1140.

[8] L. Zhu , M. Zhang , J. Xu , C. Li , J. Yan , G. Zhou , W. Zhong , T. Hao , J. Song , X. Xue , Z. Zhou , R. Zeng , H. Zhu , C. C. Chen , R. C. I. MacKenzie , Y. Zou , J. Nelson , Y. Zhang , Y. Sun , F. Liu , Nat. Mater. 2022, 21, 656.

[9] Y. Cai , Q. Li , G. Lu , H. S. Ryu , Y. Li , H. Jin , Z. Chen , Z. Tang , G. Lu , X. Hao , H. Y. Woo , C. Zhang , Y. Sun , Nat. Commun. 2022, 13, 2369.

[10] Y. Y. Jiang , X. Y. Dong , L. L. Sun , T. F. Liu , F. Qin , C. Xie , P. Jiang , L. Hu , X. Lu , X. M. Zhou , W. Meng , N. Li , C. J. Brabec , Y. H. Zhou , Nat. Energy 2022, 7, 352.

[11] P. Jiang , J. Chen , F. Qin , T. Liu , S. Xiong , W. Wang , C. Xie , X. Lu , X. Lu , Y. Jiang , H. Han , Y. Zhou , Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202208815.

[12] J. Xue , H. Zhao , B. Lin , Y. Wang , Q. Zhu , G. Lu , B. Wu , Z. Bi , X. Zhou , C. Zhao , G. Lu , K. Zhou , W. Ma , Adv. Mater. 2022, 34, e2202659.

[13] F. Yang , Y. T. Huang , Y. W. Li , Y. F. Li , npj Flex. Electron. 2021, 5, 30.

[14] L. W. T. Ng , S. W. Lee , D. W. Chang , J. M. Hodgkiss , D. Vak , Adv. Mater. Technol. 2022, 7, 2101556.

[15] C. Liu , C. Xiao , C. Xie , W. Li , Nano Energy 2021, 89, 106399.

[16] H. Chen , R. Zhang , X. Chen , G. Zeng , L. Kobera , S. Abbrent , B. Zhang , W. Chen , G. Xu , J. Oh , S.-H. Kang , S. Chen , C. Yang , J. Brus , J. Hou , F. Gao , Y. Li , Y. Li , Nat. Energy 2021, 6, 1045.

[17] G. Wang , J. Zhang , C. Yang , Y. Wang , Y. Xing , M. A. Adil , Y. Yang , L. Tian , M. Su , W. Shang , K. Lu , Z. Shuai , Z. Wei , Adv. Mater. 2020, 32, e2005153.

[18] H. J. Li , S. Q. Liu , X. T. Wu , Q. C. Qi , H. Y. Zhang , X. C. Meng , X. T. Hu , L. Ye , Y. W. Chen , Energy Environ. Sci. 2022, 15, 2130.

[19] J. E. Carlé , M. Helgesen , O. Hagemann , M. Hösel , I. M. Heckler , E. Bundgaard , S. A. Gevorgyan , R. R. Søndergaard , M. Jørgensen , R. García-Valverde , S. Chaouki-Almagro , J. A. Villarejo , F. C. Krebs , Joule 2017, 1, 274.

[20] F. C. Krebs , T. Tromholt , M. Jorgensen , Nanoscale 2010, 2, 873.

[21] F. C. Krebs , Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2009, 93, 394.

[22] M. Valimaki , P. Apilo , R. Po , E. Jansson , A. Bernardi , M. Ylikunnari , M. Vilkman , G. Corso , J. Puustinen , J. Tuominen , J. Hast , Nanoscale 2015, 7, 9570.

[23] Y. Y. Kim , T. Y. Yang , R. Suhonen , A. Kemppainen , K. Hwang , N. J. Jeon , J. Seo , Nat. Commun. 2020, 11, 5146.

[24] Y. Y. Kim , T. Y. Yang , R. Suhonen , M. Valimaki , T. Maaninen , A. Kemppainen , N. J. Jeon , J. Seo , Adv. Sci. 2019, 6, 1802094.

[25] M. Valimaki , E. Jansson , P. Korhonen , A. Peltoniemi , S. Rousu , Nanoscale Res. Lett. 2017, 12, 117.

[26] C. Kapnopoulos , E. D. Mekeridis , L. Tzounis , C. Polyzoidis , A. Zachariadis , S. Tsimikli , C. Gravalidis , A. Laskarakis , N. Vouroutzis , S. Logothetidis , Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2016, 144, 724.

[27] Z. Wang , Y. Han , L. Yan , C. Gong , J. Kang , H. Zhang , X. Sun , L. Zhang , J. Lin , Q. Luo , C. Q. Ma , Adv. Funct. Mater. 2020, 31, 2007276.

[28] G. Hernandez-Sosa , N. Bornemann , I. Ringle , M. Agari , E. Dörsam , N. Mechau , U. Lemmer , Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 3164.

[29] G. Grau , J. Cen , H. Kang , R. Kitsomboonloha , W. J. Scheideler , V. Subramanian , Flex. Print. Electron. 2016, 1, 023002.

[30] C. H. Liu , C. Y. Xiao , W. W. Li , J. Mater. Chem. C 2021, 9, 14093.

[31] Z. Liang , Q. Zhang , L. Jiang , G. Cao , Energy Environ. Sci. 2015, 8, 3442.

[32] B. Liu , Y. Han , Z. Li , H. Gu , L. Yan , Y. Lin , Q. Luo , S. Yang , C.-Q. Ma , Sol. RRL 2020, 5, 2000638.

[33] Y. Han , H. Dong , W. Pan , B. Liu , X. Chen , R. Huang , Z. Li , F. Li , Q. Luo , J. Zhang , Z. Wei , C. Q. Ma , ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 17869.

[34] P. Fan , D. Y. Zhang , Y. Wu , J. S. Yu , T. P. Russell , Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2002932.

[35] R. Szentgyörgyvölgyi , in Printing on polymers (Eds: J. Izdebska, S. Thomas), William Andrew Publishing, Oxford 2016, 199 215

[36] Y. Yu , R. Sun , T. Wang , X. Yuan , Y. Wu , Q. Wu , M. Shi , W. Yang , X. Jiao , J. Min , Adv. Funct. Mater. 2020, 31, 2008767.

[37] Z. Peng , K. Xian , Y. Cui , Q. Qi , J. Liu , Y. Xu , Y. Chai , C. Yang , J. Hou , Y. Geng , L. Ye , Adv. Mater. 2021, 33, 2106732.

[38] J. Wan , L. Zeng , X. Liao , Z. Chen , S. Liu , P. Zhu , H. Zhu , Y. Chen , Adv. Funct. Mater. 2021, 32, 2107567.

[39] C. E. Small , S. Chen , J. Subbiah , C. M. Amb , S.-W. Tsang , T.-H. Lai , J. R. Reynolds , F. So , Nat. Photonics 2011, 6, 115.

[40] S. Shao , K. Zheng , T. Pullerits , F. Zhang , ACS Appl. Mater. Interfaces 2013, 5, 380.

[41] B. Yang , S. Zhang , S. Li , H. Yao , W. Li , J. Hou , Adv. Mater. 2019, 31, e1804657.

[42] H. C. Chen , S. W. Lin , J. M. Jiang , Y. W. Su , K. H. Wei , ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 6273.

[43] F. Qin , L. Sun , H. Chen , Y. Liu , X. Lu , W. Wang , T. Liu , X. Dong , P. Jiang , Y. Jiang , L. Wang , Y. Zhou , Adv. Mater. 2021, 33, e2103017.

[44] X. Zheng , L. Zuo , F. Zhao , Y. Li , T. Chen , S. Shan , K. Yan , Y. Pan , B. Xu , C. Z. Li , M. Shi , J. Hou , H. Chen , Adv. Mater. 2022, 34, e2200044.

[45] G. Zeng , W. Chen , X. Chen , Y. Hu , Y. Chen , B. Zhang , H. Chen , W. Sun , Y. Shen , Y. Li , F. Yan , Y. Li , J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 8658.

[46] X. Liu , Z. Zheng , J. Wang , Y. Wang , B. Xu , S. Zhang , J. Hou , Adv. Mater. 2022, 34, e2106453.

[47] Y. Han , Z. Hu , W. Zha , X. Chen , L. Yin , J. Guo , J. Hou , Z. Li , Q. Luo , W. Su , C. Q. Ma , Adv. Mater. 2022, 34, e2110276.

[48] W. Pan , Y. Han , Z. Wang , C. Gong , J. Guo , J. Lin , Q. Luo , S. Yang , C.-Q. Ma , J. Mater. Chem. A 2021, 9, 16889.

[49] Y. Han , X. Chen , J. Wei , G. Ji , C. Wang , W. Zhao , J. Lai , W. Zha , Z. Li , L. Yan , H. Gu , Q. Luo , Q. Chen , L. Chen , J. Hou , W. Su , C. Q. Ma , Adv. Sci. 2019, 6, 1901490.

[50] J. Zhang , Y. Zhao , J. Fang , L. Yuan , B. Xia , G. Wang , Z. Wang , Y. Zhang , W. Ma , W. Yan , W. Su , Z. Wei , Small 2017, 13, 1700388.

[51] L. Mao , Q. Chen , Y. Li , Y. Li , J. Cai , W. Su , S. Bai , Y. Jin , C.-Q. Ma , Z. Cui , L. Chen , Nano Energy 2014, 10, 259.

[52] F. C. Krebs , S. A. Gevorgyan , J. Alstrup , J. Mater. Chem. 2009, 19, 5442.

[53] G. P. Kushto , W. Kim , Z. H. Kafafi , Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 093502.

[54] W. J. Beek , M. M. Wienk , M. Kemerink , X. Yang , R. A. Janssen , J. Phys. Chem. B 2005, 109, 9505.

RIGHTS & PERMISSIONS

2023 2023 The Authors. Energy & Environmental Materials published by John Wiley & Sons Australia, Ltd on behalf of Zhengzhou University.