摘要

中科院化學(xué)所侯劍輝、鄭眾和Jianqiu Wan團(tuán)隊(duì)在《Advanced Materials》(先進(jìn)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(shù)應(yīng)用于大面積有機(jī)太陽(yáng)能電池的制造，打破了傳統(tǒng)上認(rèn)為浸涂法不適用于可印刷電子組件的觀念。研究團(tuán)隊(duì)不僅展示了浸涂法在有機(jī)太陽(yáng)能電池制造，更深入探討了前驅(qū)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(xué)之間的關(guān)聯(lián)性。通過(guò)精確控制流體特性，成功形成了理想的奈米級(jí)雙連續(xù)互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得1平方公分剛性組件和10平方公分柔性組件分別實(shí)現(xiàn)了17.9%和13.7%的能量轉(zhuǎn)換效率。

研究成就與看點(diǎn)

工藝技術(shù)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(jī)太陽(yáng)能電池，開(kāi)創(chuàng)了可印刷電子產(chǎn)品的新途徑

• 通過(guò)精確控制浸涂工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了在銅棒等彎曲導(dǎo)電基底上直接制備有機(jī)太陽(yáng)能電池的突破性進(jìn)展

材料特性與機(jī)理研究

• 深入揭示了前驅(qū)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(guān)聯(lián)

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

• 通過(guò)調(diào)控流體特性，成功構(gòu)建了理想的納米尺度互穿連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

流體動(dòng)力學(xué)深度解析

• 基于流體力學(xué)模擬和原位快速響應(yīng)紫外-可見(jiàn)吸收測(cè)試，將涂層區(qū)域系統(tǒng)劃分為三個(gè)特征區(qū)域

• 深入研究了各區(qū)域中分子鏈聚集與構(gòu)型演變對(duì)范德瓦爾斯力的影響

• 揭示了流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)與最終薄膜形貌之間的關(guān)鍵聯(lián)系

工藝優(yōu)化與效率提升

• 建立了預(yù)測(cè)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(diǎn)與最佳涂布速度之間的普遍關(guān)聯(lián)

• 通過(guò)優(yōu)化BHJ和界面層的浸涂條件，1.0 cm2剛性器件實(shí)現(xiàn)17.9%的光電轉(zhuǎn)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(lǐng)域最高值

研究團(tuán)隊(duì)

本研究由中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所侯劍輝團(tuán)隊(duì)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(shù)，尚未廣泛應(yīng)用于可印刷電子產(chǎn)品領(lǐng)域。先前研究在利用浸涂法制備高效有機(jī)太陽(yáng)能電池時(shí)，可能遇到的困難與挑戰(zhàn)包括：

○難以精確調(diào)控活性層的微觀形貌，從而影響器件的光電轉(zhuǎn)換效率。

○缺乏對(duì)浸涂過(guò)程中流體力學(xué)行為的深入理解，難以實(shí)現(xiàn)最佳的涂布參數(shù)。

解決方案：

本研究針對(duì)上述挑戰(zhàn)，提出了以下解決方法：

•深入研究浸涂過(guò)程中的流體力學(xué)行為，揭示前驅(qū)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(guān)聯(lián)性，并闡明聚合物支架中受限液體的流體力學(xué)與受體相連續(xù)性之間的關(guān)系。

•通過(guò)控制流體特性，例如溶劑揮發(fā)速率、溶液黏度等，實(shí)現(xiàn)對(duì)活性層微觀形貌的精確調(diào)控，從而優(yōu)化器件性能。

•建立預(yù)測(cè)特定油墨浸涂最佳涂布速度的方法，為實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)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(jī)太陽(yáng)能電池。

3.浸涂過(guò)程控制：

○使用客制化的浸涂設(shè)備，精確控制提拉速度。

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

○調(diào)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(jī)太陽(yáng)能電池制備在銅棒上。

○證明了在彎曲的導(dǎo)電表面上直接制作有機(jī)太陽(yáng)能電池的可行性。

研究成果表征

•光伏性能測(cè)試 (Photovoltaic Performance)：

○太陽(yáng)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(yáng)光模擬器，模擬真實(shí)太陽(yáng)光照條件，測(cè)量器件的電流密度-電壓 (J-V) 曲線(xiàn)。

○推薦使用光焱科技Enlitech SS-X太陽(yáng)光模擬器，AAA等級(jí)太陽(yáng)光模擬器，可精確模擬太陽(yáng)光譜，提供穩(wěn)定的光照強(qiáng)度，確保 J-V 曲線(xiàn)測(cè)試的準(zhǔn)確性與可重復(fù)性。

圖3i：展示了五種 4.0 mm2 剛性 OSC 的 J-V 曲線(xiàn)。

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(xiàn)。

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(dá)到17.9%，已通過(guò)中國(guó)國(guó)家計(jì)量科學(xué)研究院 (NIM)認(rèn)證為 17.6%；10 cm2柔性電池的PCE達(dá)到13.7%，證實(shí)了浸涂法在制備高效有機(jī)太陽(yáng)能電池方面的潛力。

•外量子效率 (EQE) 測(cè)量 (External Quantum Efficiency)：

○外量子效率 (EQE)：研究使用Enlitech QE-R3011 太陽(yáng)能電池光譜響應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行EQE數(shù)據(jù)量測(cè)，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(yáng)能電池量子效率光學(xué)儀，高精度QE/IPCE測(cè)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(jìn)行EQE mapping 測(cè)量，配備520 nm雷射，評(píng)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(jī)太陽(yáng)能電池的照片及其外量子效率（EQE）分布圖。

結(jié)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(zhì)量。

○ FTPS-EQE 測(cè)量 (FTPS-EQE measurements)：使用Enlitech PECT-600整合系統(tǒng)，通過(guò)鎖相放大器放大和調(diào)制光電流。

推薦使用光焱科技Enlitech FTPS傅立葉轉(zhuǎn)換光電流測(cè)試儀，高靈敏度的光電流和 EQE / IPCE 系統(tǒng)，可精確測(cè)量太陽(yáng)能電池的EQE曲線(xiàn)，評(píng)估器件的光譜響應(yīng)特性。

○EQEEL 測(cè)量 (EQEEL measurements)：通過(guò)Enlitech ELCT-3010(REPS)施加外部電壓/電流源，測(cè)量器件的 EQEEL。EQEEL測(cè)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(duì) 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(xiàn)散射 (GIWAXS)：用于分析薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和分子取向。(圖 3c、d、S54c、d、表S10、S21)

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

圖 3a：不同流場(chǎng)涂覆的 BHJs 的 RSoXS 圖

○有機(jī)場(chǎng)效晶體管 (OFET)：測(cè)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(cè)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(jié)構(gòu)。(圖2h-l)

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

研究結(jié)論

•浸涂法適用于制造大面積有機(jī)太陽(yáng)能電池：這項(xiàng)研究展示了通過(guò)浸涂法制備大面積有機(jī)太陽(yáng)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(shù)，可以用于制造高效能有機(jī)太陽(yáng)能電池。研究也表明，使用浸涂法制造有機(jī)太陽(yáng)能電池，不需昂貴的涂布頭，在高能源預(yù)算下仍具有很大的潛力。

•揭示了浸涂過(guò)程中多項(xiàng)因素的相關(guān)性：研究揭示了前驅(qū)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(guān)性，并闡述了聚合物支架中受限液體的流體力學(xué)與受體相連續(xù)性之間的關(guān)系。研究確認(rèn)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(tuán)隊(duì)通過(guò)仔細(xì)追蹤流體流動(dòng)和鏈段構(gòu)型演化，提出了關(guān)鍵點(diǎn)（AS1-AS4）。

•實(shí)現(xiàn)了高效率的有機(jī)太陽(yáng)能電池：通過(guò)控制流體特性，可以形成理想的奈米級(jí)互穿連續(xù)網(wǎng)絡(luò)，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(dá)到 17.9%，10.0 cm2 柔性電池的效率達(dá)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(dá)到 15.1% 和 13.7%，是該領(lǐng)域的最高值。

•提出了預(yù)測(cè)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(guān)系，可以用于預(yù)測(cè)給定油墨的最佳涂布速度。

•展示了浸涂技術(shù)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(dǎo)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(guò)優(yōu)化 BHJ 和界面層的浸涂條件，相應(yīng)的全印刷有機(jī)太陽(yáng)能電池 (OSC) 表現(xiàn)出出色的光伏性能4。對(duì)于 1 cm2 的剛性電池，記錄的最佳 PCE 為 17.9%。對(duì)于 10 cm2 的剛性和柔性電池，PCEs 分別達(dá)到 15.1% 和 13.7%，是該領(lǐng)域的最高值。

文獻(xiàn)參考自Advanced Materials_DOI: 10.1002/adma.202417160

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