武漢大學最新Nature Energy：開啟有機光伏的高通量制備之路！

目前，有機光伏在實驗室規模上的器件效率和穩定性方面取得了巨大的成功。然而，實現高通量和低成本的制備方法仍存在著巨大的挑戰，也很少有報道。同時，對高速處理中合適的相分離的控制以及已開發的處理對卷對卷（R2R）打印的適用性還鮮有關注。因此，如果保持器件的效率和穩定性，發展與薄膜形成的形態控制相關的可擴展的高速涂覆過程對于實現OPV應用的技術可行性至關重要。

近日，武漢大學的閔杰教授團隊發表了研究性論文，通過引入可擴展的刮涂技術（DB）和狹縫涂布（SDC）技術作為R2R兼容技術，并采用逐層涂覆策略（LbL），實現了PM6:T8活性層的高速制備。這種高速逐步涂覆技術有效的保持了有機光伏的器件性能。

相關研究文章以“High-speed sequential deposition of photoactive layers for organic solar cell manufacturing”為題發表在Nature Energy上。

本文提出了一種高速逐步涂覆技術，可實現30.0 m min⁻¹的涂覆速度。

圖一、分子結構，溶液處理技術和光伏性能 a，PM6和T8材料的分子結構。b，溶液處理技術的原理圖。c，在AM 1.5 G太陽模擬器的1個太陽照射下測量的BHJ-SC、BHJ-DB和LbL-DB OPVs的J-V特性。d，基于不同處理技術的器件的EQE光譜。e，具有BHJ和LbL結構的DB涂覆OPV在過去幾年中的效率演變© 2022 Spring Nature

圖二、光伏性能和器件穩定性 a，b，BHJ器件的光伏性能（PCE），不同濃度的溶液，從14.0、12.0、10.0、8.0、7.0、7.5、7.0、6.5到6.0 mg ml^-1 (a)和LbL器件的光伏性能，不同濃度的溶液，從7.0、6.0、5.0、4.0、3.8、3.5、3.2和3.0 mg ml^-1 (b)。虛線表示PCE的趨勢。c，在LED光譜照明下，以低涂覆速度（2.1 m min⁻¹）制備的BHJ-DB器件和以2.1 m min⁻¹或30.0 m min⁻¹制備的LbL-DB器件的MPP跟蹤。d，在環境條件下，以涂覆速度為30.0 m min⁻¹制備的LbL-DB器件的PCE值作為空氣濕度的函數© 2022 Spring Nature

圖三、形態學特征和物理動力學研究 a，b，以不同涂覆速度制備的BHJ (a)和LbL (b)的光活性層的AFM（3 μm×3 μm）和TEM圖像（1 μm×1 μm）。c，在不同涂覆速度下制造的BHJ和LbL器件，V_OC與J的斜率值。d、e，載流子壽命(τ_TPV；d）和提取時間(τ_TPC；e）值，由在不同涂覆速度下制備的BHJ和LbL器件的瞬態光電電壓（TPV）和瞬態光電流（TPC）測量值計算得出。© 2022 Spring Nature

圖四、各種光伏系統的器件性能 a，b，基于PM6：T8的經甲苯處理的BHJ-DB (a)和LbL-DB (b)器件的光伏性能。c，從不同的氯仿溶液濃度（從上到下）刮涂得到的PM6：Y6、PM6：N3、PM6-Ir1：Y6和PTQ10：Y6的BHJ-DB（藍色）和LbL-DB器件的PCE。© 2022 Spring Nature

圖五、使用SDC技術高速制備的BHJ和LbL器件 a，同步LbL-SDC方法的示意圖。兩個涂覆頭按紫色箭頭所指的方向移動。b，BHJ-SDC（藍色）和LbL-SDC（紅色）的PM6：T8太陽能電池（頂部，活性層面積為1.0 cm²）和太陽能組件（底部，活性層面積為7.5 cm²）的PCE，使用不同的溶液濃度和不同的涂覆速度制作。c，使用相關的SDC技術制作的具有不同活性區域的太陽能組件的PCE的分布© 2022 Spring Nature

圖六、模塊性能、制造成本和最低可持續價格（MSP）分析 a，不同太陽能技術每生產小時的功率輸出。b，整個15步LbL模塊生產過程的完整成本模型。c，在不同涂覆速度下制造的BHJ和LbL結構的MSP-PCE函數© 2022 Spring Nature

LbL處理可以促進光活性層的高速制造，同時保持良好的器件性能。相比之下，具有高涂覆速度的BHJ處理會導致較大的晶粒和富含缺陷的微觀結構，從而導致器件性能的急劇下降。此外，作者還開發了一個LbL槽模加工平臺，用于大型器件和模塊的快速露天制造。同時，這種LbL處理策略也導致了MSP值的降低，為薄膜OPV的高通量制造提供了技術支持?？傊?，該工作是朝著高速、可擴展、成本效益的高性能器件制造技術邁出的重要一步，并為實現目前實驗室階段的OPV優秀成果到大面積、商業太陽能器件的轉化提供了新的可能性。

原文詳情：Sun, R., Wang, T., Yang, X. et al. High-speed sequential deposition of photoactive layers for organic solar cell manufacturing. Nat Energy (2022). https://doi.org/10.1038/s41560-022-01140-4

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本文由景行供稿。