武汉大学闵杰团队Nature Energy：有机太阳能电池光敏层的高速逐层沉积

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前言回顾

溶液处理有机光伏（OPVs）是清洁和可再生能源领域最有前途的光伏技术之一。OPVs材料的一个主要优势是其溶液可加工性，通过高通量和低成本卷对卷（R2R）技术为OPVs的商业化奠定了基础。由于材料设计、界面和器件工程方面的重大进展，OPVs的功率转换效率（PCE）已经提高到了18-19%。此外，通过减少内部和外部因素引起性能退化的影响，能够有效促进OPVs多重稳定性。目前，实验室中已经开发了许多具有市场竞争力、高效率和稳定性的非富勒烯体系器件。然而，如何以低生产成本扩大化制备OPVs器件对商业应用至关重要。

目前更多的研究集中在通过各种方法降低材料成本。然而，通过低能耗和高通量生产工艺降低生产成本的研究很少，将OPVs材料从溶液转化为可靠的工业规模固态光活性层仍然是一项重要的挑战。此外，实现OPVs应用的关键在于如何采用卷对卷（R2R）技术来高速制备高性能器件。尽管研究人员已经做出了巨大努力，通过材料设计来改进光活性层的高质量制备，但很少有关注高速加工中适当相分离的控制以及现有工艺对R2R印刷的适用性。因此，在保持器件效率和稳定性的前提下，开发与成膜形态控制相关的可扩展高速沉积工艺对于实现OPVs应用的技术可行性至关重要。

图1.分子结构、溶液处理技术和光伏特性

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文献简介

越来越多的研究表明，逐层沉积的成膜技术（LbL，一种允许给体层和受体层顺序沉积的技术）期间形成的共混微结构比D:A体异质结（BHJ）器件更为坚固，同时对一般成膜条件的依赖性更小。有鉴于此，近日，武汉大学闵杰研究员团队通过引入新合成的非富勒烯受体T8和给体PM6组成的相应器件，并使用旋转涂层（SC）、刀片涂层（DB）和槽模涂层（SDC）作为R2R兼容技术，开发了不同加工技术（包括BHJ-SC、BHJ-DB和LbL-DB），通过平衡流速、基板温度、溶液浓度、涂层速度等因素的成膜动力学，系统地探索BHJ和LbL处理方法的高速涂覆能力。

图2.使用SDC技术制造的高速BHJ和LbL器件

值得注意的是，研究发现，给体和受体油墨的溶液浓度与涂布速度之间的精细平衡是优化LbL加工的共混厚度和形态的有效策略，同时加工方法对光伏性能和涂层速度具有很强的依赖性。令人印象深刻的是，LbL处理的OPVs器件PCE>17.6%，涂层速度为30.0 m min-1。相比之下，BHJ处理的OPVs器件PCE仅为13.9%。此外，研究人员还引入了另外五种基于不同聚合物给体（PM6、PM6-Ir1、PM1或PTQ10）和NFAs（Y6或N3）的体系，并且使用非卤化溶剂和SDC技术，进一步证明这种LbL方法的优点。重要的是，成本效益分析清楚地表明，这种加工技术可以显著降低工业场景中的最低可持续价格（MSP）值。

图3.模块性能、制造成本和MSP分析

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文献总结

综上，该工作为高性能器件的高速、可扩展、成本效益高的方向迈出的重要一步，将OPVs目前的成功扩展到大面积商用太阳能电池模块提供了新的可能性。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Nature Energy》上，题为“High-speed sequential deposition of photoactive layers for organic solar cell manufacturing”。

本文关键词：有机太阳能电池，逐层沉积，大面积器件，卷对卷制造，工业化制备。

转自：“有机光电前沿”微信公众号

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