作者:闵杰等 来源:《自然-能源》 发布时间:2022/10/28 11:34:47
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武汉大学实现有机太阳电池高速涂覆技术新突破

 

北京时间2022年10月27日,武汉大学闵杰团队在Nature Energy期刊发表了一篇题为“High-Speed Sequential Deposition of Photoactive Layer for Organic Solar Cell Manufacturing Process”的新研究。

课题组通过引入逐步涂覆技术,实现了有机太阳电池活性层制备的高速沉积,并保持了活性层体系的器件性能,该技术工艺展现出高性能有机太阳电池高通量制备潜力。

论文通讯作者是闵杰;第一作者是孙瑞。

有机太阳能电池(OSCs)作为下一代光伏技术,在过去的二十年中引起了广泛关注。得益于光伏材料的快速发展以及对形貌控制、界面和器件工程的深入了解,单结OSCs可以获得19%以上的能量转换效率(PCE)。尽管OSCs在实验室规模的器件效率和稳定性方面取得了巨大成功,同时在低成本的材料和器件设计与开发方面进展显著,但对OSC器件高通量制备解决方案的迫切需求仍未得到解决,也很少报道。众所周知,要实现有机太阳电池商业化,必须同时考虑PCE、稳定性和成本的黄金三角关系。但是,除了上述参数外,器件的高通量制备也反映新兴光伏技术的应用潜力。

近日,武汉大学的闵杰团队以设计的聚合物:非富勒烯小分子光伏体系PM6:T8为活性层材料,通过引入可扩展的刮涂涂布(Doctor blade,DB)和狭缝涂布(Slot-die coating,SDC)技术并采用逐层涂覆策略逐层(Layer-by-layer,LbL),实现了PM6:T8活性层的高速制备,并保持其出色的器件性能。相比之下,采用传统给受体材料共混涂覆工艺(bulk heterojunction,BHJ)在高速刮涂情况下会导致活性层产生严重的相分离并形成巨大的粗糙度,从而导致器件性能急剧下降。

利用LbL刮涂技术实现了活性层高速涂覆。基于团队合成的非富勒烯小分子受体T8,采用不同溶液加工工艺(图1a,包括BHJ旋涂工艺(BHJ-SC)、BHJ刮涂工艺(BHJ-DB)和LbL刮涂工艺(LbL-DB)),并引入聚合物PM6作为给体材料,优化并制备出PCE接近18%的PM6:T8器件;进一步,通过溶液浓度和涂布速度的协同调控,系统探究了由BHJ-DB和LbL-DB工艺制备器件的效率趋势与上述加工参数的关联,发现采用LbL-DB技术能够实现PM6:T8活性层薄膜的高速涂覆并保持其高器件性能(PCE大于17.6%,图1c)。相反,采用LbL-DB技术在同等加工速度条件下,会导致活性层形貌产生严重的相分离,因此PM6:T8器件性能下降明显(图1b)。值得一提的是,研究发现由LbL-DB工艺在2.1和30.0 m/min速度下制备的器件展现出相似运行稳定性,且相关活性层的光伏性能对加工环境湿度条件不敏感。

图1:(a)基于溶液可加工的BHJ旋涂和刮涂(BHJ-DB)以及LbL刮涂(LbL-DB)技术示意图;不同浓度和涂布速度条件下,分别由(b)BHJ-DB和(c)LbL-DB技术制备活性层的器件性能趋势。

高速LbL-DB工艺的通用性。除了上述使用氯仿溶剂涂覆活性层外,在本文中非卤代溶剂甲苯也被采用来构建相关器件。图2a和2b所示,分别展示了在不同涂布速度下制备BHJ-DB和LbL-DB型器件的光伏性能。可知,由甲苯加工的LbL-DB型器件在30.0 m/min涂布速度下,其效率仍超过17.15%,远优于LbL-DB型器件(PCE为13.32%)。另外,五个非富勒烯光伏体系(图2c,包括PM6:Y6、PM6:N3、PM6-Ir1:Y6、PM1:Y6和PTQ10:Y6)被进一步引入该项目探究两种加工工艺制备器件的效率趋势与涂覆速度的关联,相关研究结果充分证明了高速LbL-DB工艺的通用性。

图2:基于(a)BHJ-DB和(b)LbL-DB工艺且由甲苯溶剂制备的器件性能与涂覆速度的关系;(c)不同浓度和涂布速度条件下,分别由BHJ-DB和LbL-DB技术制备5种活性层体系(包括PM6:Y6、PM6:N3、PM6-Ir1:Y6、PM1:Y6和PTQ10:Y6)的器件性能趋势。

高速狭缝加工OSC组件与经济效益分析。作为概念验证,闵杰团队设计开发了用于大面积器件和组件制备的联动型逐层狭缝涂布仪器,图3a所示。通过平衡流速、基板温度、溶液浓度和涂布速度等加工参数,实现了PM6:T8活性层在不同涂布速度下的高性能器件和组件制备(面积分别为1.0 和7.5 cm2)。相比于BHJ狭缝涂布(BHJ-SDC),高速情况下LbL狭缝涂布(LbL-SDC)更能保持PM6:T8体系的最优性能(图b),该结果也验证了上述LbL-DB工艺的实验数据。另外,采用自下而上的制造成本模型,闵杰团队进一步对BHJ和LbL工艺进行了技术经济效益分析。如图3c所示,LbL高通量制备技术可以显著降低工业生产过程中光伏组件制造的最低可持续价格(MSP);与生产线速度为2.1 m/min的传统BHJ工艺相比,线速度为30.0 m/min的高速LbL技术可以大大降低MSP值(从7.72到0.32 $/Wp,差值为7.40 $/Wp)。

图3:(a)联动型逐层狭缝涂布仪器示意图;(b)不同浓度和涂布速度条件下,分别由BHJ-SDC和LbL-SDC技术制备活性层的组件性能趋势。(c)不同涂布速度情况下,基于BHJ和LbL工艺技术的经济效益分析。

该研究提供了设计活性层材料与调控活性层形貌的理性认识,揭示了传统活性层涂膜工艺的缺陷,发现了逐层涂膜工艺能够实现活性层的高速涂覆并保持其高性能,研究成果代表着向高性能器件和组件的高速、可扩展、低成本制造迈出的重要一步。该工作得到了国家自然科学基金(52061135206)和中央高校基本科研业务费的支持。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41560-022-01140-4

 
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