武汉大学最新Nature Energy：开启有机光伏的高通量制备之路！

目前，有机光伏在实验室规模上的器件效率和稳定性方面取得了巨大的成功。然而，实现高通量和低成本的制备方法仍存在着巨大的挑战，也很少有报道。同时，对高速处理中合适的相分离的控制以及已开发的处理对卷对卷（R2R）打印的适用性还鲜有关注。因此，如果保持器件的效率和稳定性，发展与薄膜形成的形态控制相关的可扩展的高速涂覆过程对于实现OPV应用的技术可行性至关重要。

近日，武汉大学的闵杰教授团队发表了研究性论文，通过引入可扩展的刮涂技术（DB）和狭缝涂布（SDC）技术作为R2R兼容技术，并采用逐层涂覆策略（LbL），实现了PM6:T8活性层的高速制备。这种高速逐步涂覆技术有效的保持了有机光伏的器件性能。

相关研究文章以“High-speed sequential deposition of photoactive layers for organic solar cell manufacturing”为题发表在Nature Energy上。

本文提出了一种高速逐步涂覆技术，可实现30.0 m min⁻¹的涂覆速度。

图一、分子结构，溶液处理技术和光伏性能 a，PM6和T8材料的分子结构。b，溶液处理技术的原理图。c，在AM 1.5 G太阳模拟器的1个太阳照射下测量的BHJ-SC、BHJ-DB和LbL-DB OPVs的J-V特性。d，基于不同处理技术的器件的EQE光谱。e，具有BHJ和LbL结构的DB涂覆OPV在过去几年中的效率演变© 2022 Spring Nature

图二、光伏性能和器件稳定性 a，b，BHJ器件的光伏性能（PCE），不同浓度的溶液，从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，不同浓度的溶液，从7.0、6.0、5.0、4.0、3.8、3.5、3.2和3.0 mg ml^-1 (b)。虚线表示PCE的趋势。c，在LED光谱照明下，以低涂覆速度（2.1 m min⁻¹）制备的BHJ-DB器件和以2.1 m min⁻¹或30.0 m min⁻¹制备的LbL-DB器件的MPP跟踪。d，在环境条件下，以涂覆速度为30.0 m min⁻¹制备的LbL-DB器件的PCE值作为空气湿度的函数© 2022 Spring Nature

图三、形态学特征和物理动力学研究 a，b，以不同涂覆速度制备的BHJ (a)和LbL (b)的光活性层的AFM（3 μm×3 μm）和TEM图像（1 μm×1 μm）。c，在不同涂覆速度下制造的BHJ和LbL器件，V_OC与J的斜率值。d、e，载流子寿命(τ_TPV；d）和提取时间(τ_TPC；e）值，由在不同涂覆速度下制备的BHJ和LbL器件的瞬态光电电压（TPV）和瞬态光电流（TPC）测量值计算得出。© 2022 Spring Nature

图四、各种光伏系统的器件性能 a，b，基于PM6：T8的经甲苯处理的BHJ-DB (a)和LbL-DB (b)器件的光伏性能。c，从不同的氯仿溶液浓度（从上到下）刮涂得到的PM6：Y6、PM6：N3、PM6-Ir1：Y6和PTQ10：Y6的BHJ-DB（蓝色）和LbL-DB器件的PCE。© 2022 Spring Nature

图五、使用SDC技术高速制备的BHJ和LbL器件 a，同步LbL-SDC方法的示意图。两个涂覆头按紫色箭头所指的方向移动。b，BHJ-SDC（蓝色）和LbL-SDC（红色）的PM6：T8太阳能电池（顶部，活性层面积为1.0 cm²）和太阳能组件（底部，活性层面积为7.5 cm²）的PCE，使用不同的溶液浓度和不同的涂覆速度制作。c，使用相关的SDC技术制作的具有不同活性区域的太阳能组件的PCE的分布© 2022 Spring Nature

图六、模块性能、制造成本和最低可持续价格（MSP）分析 a，不同太阳能技术每生产小时的功率输出。b，整个15步LbL模块生产过程的完整成本模型。c，在不同涂覆速度下制造的BHJ和LbL结构的MSP-PCE函数© 2022 Spring Nature

LbL处理可以促进光活性层的高速制造，同时保持良好的器件性能。相比之下，具有高涂覆速度的BHJ处理会导致较大的晶粒和富含缺陷的微观结构，从而导致器件性能的急剧下降。此外，作者还开发了一个LbL槽模加工平台，用于大型器件和模块的快速露天制造。同时，这种LbL处理策略也导致了MSP值的降低，为薄膜OPV的高通量制造提供了技术支持。总之，该工作是朝着高速、可扩展、成本效益的高性能器件制造技术迈出的重要一步，并为实现目前实验室阶段的OPV优秀成果到大面积、商业太阳能器件的转化提供了新的可能性。

原文详情：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。