摘要

中科院化學所侯劍輝、鄭眾和Jianqiu Wan團隊在《Advanced Materials》(先進材料)期刊上發(fā)表了一篇研究論文，題為「Fluid Control of Dip Coating for Efficient Large-Area Organic Solar Cells」，本研究成功地將低成本的浸涂技術應用于大面積有機太陽能電池的制造，打破了傳統(tǒng)上認為浸涂法不適用于可印刷電子組件的觀念。研究團隊不僅展示了浸涂法在有機太陽能電池制造，更深入探討了前驅物薄膜中凡德瓦力、聚合物聚集狀態(tài)、活性層纖維取向、以及受限液體流體力學之間的關聯(lián)性。通過精確控制流體特性，成功形成了理想的奈米級雙連續(xù)互穿網(wǎng)絡結構，使得1平方公分剛性組件和10平方公分柔性組件分別實現(xiàn)了17.9%和13.7%的能量轉換效率。

研究成就與看點

工藝技術創(chuàng)新

• 該研究采用傳統(tǒng)低成本的浸涂法，成功制備出大面積有機太陽能電池，開創(chuàng)了可印刷電子產(chǎn)品的新途徑

• 通過精確控制浸涂工藝參數(shù)，實現(xiàn)了在銅棒等彎曲導電基底上直接制備有機太陽能電池的突破性進展

材料特性與機理研究

• 深入揭示了前驅體薄膜中范德瓦爾斯力、聚合物聚集態(tài)與活性層纖維取向之間的內(nèi)在關聯(lián)

• 系統(tǒng)闡明了聚合物骨架中受限液體的流體動力學特性與受體相連續(xù)性的作用機制

• 通過調控流體特性，成功構建了理想的納米尺度互穿連續(xù)網(wǎng)絡結構

流體動力學深度解析

• 基于流體力學模擬和原位快速響應紫外-可見吸收測試，將涂層區(qū)域系統(tǒng)劃分為三個特征區(qū)域

• 深入研究了各區(qū)域中分子鏈聚集與構型演變對范德瓦爾斯力的影響

• 揭示了流體動力學參數(shù)與最終薄膜形貌之間的關鍵聯(lián)系

工藝優(yōu)化與效率提升

• 建立了預測特定墨水最佳涂布速度的理論模型，闡明了墨水的范德瓦爾斯力、駐點與最佳涂布速度之間的普遍關聯(lián)

• 通過優(yōu)化BHJ和界面層的浸涂條件，1.0 cm2剛性器件實現(xiàn)17.9%的光電轉換效率

• 成功將10.0      cm2剛性和柔性器件的效率分別提升至15.1%和13.7%，是該領域最高值

研究團隊

本研究由中國科學院化學研究所侯劍輝團隊完成，Jianqiu Wang為論文第一作者，侯劍輝(Jianhui Hou)、鄭眾(Zhong Zheng)為論文共同通訊作者。

研究背景

浸涂法作為一種傳統(tǒng)的低成本技術，尚未廣泛應用于可印刷電子產(chǎn)品領域。先前研究在利用浸涂法制備高效有機太陽能電池時，可能遇到的困難與挑戰(zhàn)包括：

○難以精確調控活性層的微觀形貌，從而影響器件的光電轉換效率。

○缺乏對浸涂過程中流體力學行為的深入理解，難以實現(xiàn)最佳的涂布參數(shù)。

解決方案：

本研究針對上述挑戰(zhàn)，提出了以下解決方法：

•深入研究浸涂過程中的流體力學行為，揭示前驅體薄膜中范德華力、聚合物聚集態(tài)與活性層中纖維取向之間的關聯(lián)性，并闡明聚合物支架中受限液體的流體力學與受體相連續(xù)性之間的關系。

•通過控制流體特性，例如溶劑揮發(fā)速率、溶液黏度等，實現(xiàn)對活性層微觀形貌的精確調控，從而優(yōu)化器件性能。

•建立預測特定油墨浸涂最佳涂布速度的方法，為實際生產(chǎn)提供指導。

實驗過程與步驟

1.材料制備：

○研究所使用的主要材料包括 PBDB-TF（給體聚合物）、BTP-eC9（受體分子）、PDINN、PEDOT:PSS 等。

○使用氯仿 (CF) 作為溶劑，并添加 DIO 作為添加劑。

2.器件制備：

○使用玻璃/ITO 或 PEN/ITO 作為基板。

○依序在基板上浸涂 PEDOT:PSS（電洞傳輸層）、PBDB-TF:BTP-eC9（活性層）和 PDINN（電子傳輸層）。

○在活性層表面熱退火，濺鍍 Ag 電極，制備剛性和柔性有機太陽能電池。

3.浸涂過程控制：

○使用客制化的浸涂設備，精確控制提拉速度。

○通過 COMSOL 模擬和 ISFR-Abs 數(shù)據(jù)，將涂布區(qū)域劃分為三個區(qū)域，并研究各區(qū)域中的流體力學行為。

○調控溶劑揮發(fā)速率、溶液黏度等參數(shù)，控制活性層微觀形貌。

4.在銅棒上制備 OSCs：

○將全印刷有機太陽能電池制備在銅棒上。

○證明了在彎曲的導電表面上直接制作有機太陽能電池的可行性。

研究成果表征

•光伏性能測試 (Photovoltaic Performance)：

○太陽光模擬器 (Solar Simulator)：使用光焱科技Enlitech AM 1.5G (100 mW cm?2) SS-F5-3A太陽光模擬器，模擬真實太陽光照條件，測量器件的電流密度-電壓 (J-V) 曲線。

○推薦使用光焱科技Enlitech SS-X太陽光模擬器，AAA等級太陽光模擬器，可精確模擬太陽光譜，提供穩(wěn)定的光照強度，確保 J-V 曲線測試的準確性與可重復性。

圖3i：展示了五種 4.0 mm2 剛性 OSC 的 J-V 曲線。

圖4c：展示了剛性、柔性和棒狀 OSC 在 AM 1.5G、100 mW cm?2 光照下的 J–V 或 I–V 曲線。

Table 3：展示了大面積剛性、柔性和棒狀 OSC 在 AM 1.5G, 100 mW cm?2 下的光伏性能

○研究中，1 cm2剛性電池的最佳PCE達到17.9%，已通過中國國家計量科學研究院 (NIM)認證為 17.6%；10 cm2柔性電池的PCE達到13.7%，證實了浸涂法在制備高效有機太陽能電池方面的潛力。

•外量子效率 (EQE) 測量 (External Quantum Efficiency)：

○外量子效率 (EQE)：研究使用Enlitech QE-R3011 太陽能電池光譜響應測量系統(tǒng)進行EQE數(shù)據(jù)量測，分析活性層的光吸收特性和電荷傳輸效率。

推薦使用Enlitech QE-R 太陽能電池量子效率光學儀，高精度QE/IPCE測試系統(tǒng)

圖S45：展示了 Flow 1-5 處理的 OSC 的 EQE 光譜

○ EQE 映射 (EQE mapping)：研究使用Enlitech LSD4系統(tǒng)進行EQE mapping 測量，配備520 nm雷射，評估大面積器件的均勻性。

圖4b：展示了大面積剛性、柔性及棒狀有機太陽能電池的照片及其外量子效率（EQE）分布圖。

結果表明，剛性和柔性電池均表現(xiàn)出均勻的高EQE，證明了BHJ和界面層的高質量。

○ FTPS-EQE 測量 (FTPS-EQE measurements)：使用Enlitech PECT-600整合系統(tǒng)，通過鎖相放大器放大和調制光電流。

推薦使用光焱科技Enlitech FTPS傅立葉轉換光電流測試儀，高靈敏度的光電流和 EQE / IPCE 系統(tǒng)，可精確測量太陽能電池的EQE曲線，評估器件的光譜響應特性。

○EQEEL 測量 (EQEEL measurements)：通過Enlitech ELCT-3010(REPS)施加外部電壓/電流源，測量器件的 EQEEL。EQEEL測量有助于研究器件的電致發(fā)光 (EL) 行為，分析電壓與電流對 EQE 的影響。

•其他表征：

○原子力顯微鏡 (AFM)：觀察薄膜表面的形貌特征。(圖3b、S33、S34)

○掠入射廣角X射線散射 (GIWAXS)：用于分析薄膜的晶體結構和分子取向。(圖 3c、d、S54c、d、表S10、S21)

○共振軟X射線散射 (RSoXS)：用于研究薄膜的相分離和 domain size。

圖 3a：不同流場涂覆的 BHJs 的 RSoXS 圖

○有機場效晶體管 (OFET)：測量沿涂覆方向的電洞遷移率 (μhole,parall) 和電子遷移率 (μelectron,parall)，以及垂直于涂覆方向的電洞遷移率 (μhole,perp) 和電子遷移率 (μelectron,perp)。

圖 3f：Flow 1-5 的所有遷移率。

○空間電荷限制電流 (SCLC)：用于測量垂直方向的載流子遷移率。

○低溫透射電子顯微鏡 (Cryo-TEM)：用于觀察奈米結構。(圖2h-l)

○原位快速響應紫外-可見吸收光譜 (ISFR-Abs)：用于監(jiān)測薄膜形成過程中材料的吸收特性變化。(圖2b-c、圖S25-26)

研究結論

•浸涂法適用于制造大面積有機太陽能電池：這項研究展示了通過浸涂法制備大面積有機太陽能電池的可能性，證明了浸涂法作為一種傳統(tǒng)的低成本技術，可以用于制造高效能有機太陽能電池。研究也表明，使用浸涂法制造有機太陽能電池，不需昂貴的涂布頭，在高能源預算下仍具有很大的潛力。

•揭示了浸涂過程中多項因素的相關性：研究揭示了前驅體膜中的范德華力、聚合物的聚集狀態(tài)和活性層中纖維取向之間的相關性，并闡述了聚合物支架中受限液體的流體力學與受體相連續(xù)性之間的關系。研究確認了 FVDW/? 在決定彎液面輪廓、鏈段演化和纖維紋理中的重要性。研究團隊通過仔細追蹤流體流動和鏈段構型演化，提出了關鍵點（AS1-AS4）。

•實現(xiàn)了高效率的有機太陽能電池：通過控制流體特性，可以形成理想的奈米級互穿連續(xù)網(wǎng)絡，從而提高電池效率。研究成功制備了1.0 cm2剛性電池，效率達到 17.9%，10.0 cm2 柔性電池的效率達到 13.7%。研究也記錄了 1 cm2 剛性電池的最佳 PCE 為 17.9%，10 cm2 剛性和柔性電池的 PCEs 分別達到 15.1% 和 13.7%，是該領域的最高值。

•提出了預測最佳涂布速度的方法：研究揭示了油墨的 FVDW、SP 與 Uoptimal 之間存在更普遍的關系，可以用于預測給定油墨的最佳涂布速度。

•展示了浸涂技術在制備高效大面積/不規(guī)則形狀 OSCs ：研究證明可以在銅棒上制作 OSCs，并證明了在彎曲的導電表面上直接制作 OSCs 的可行性。

•優(yōu)化大面積和柔性 OSC 的浸涂條件：通過優(yōu)化 BHJ 和界面層的浸涂條件，相應的全印刷有機太陽能電池 (OSC) 表現(xiàn)出出色的光伏性能4。對于 1 cm2 的剛性電池，記錄的最佳 PCE 為 17.9%。對于 10 cm2 的剛性和柔性電池，PCEs 分別達到 15.1% 和 13.7%，是該領域的最高值。

文獻參考自Advanced Materials_DOI: 10.1002/adma.202417160

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