AM：原位吸收表征槽模涂層高性能大面積柔性有機太陽能電池

一、導讀

有機太陽能電池(OSCs)由于其低成本、重量輕和機械柔性的優點，在過去幾年中引起了廣泛的關注。新型光活性材料的開發和界面工程的創新，使得有機太陽能電池的功率轉換效率有了顯著的提高。小面積單結有機太陽能電池的功率轉換效率已達到19%以上，為擴大規模提供了必要的基礎。然而，有效面積小于0.1 cm²的器件通常是通過旋涂法在ITO玻璃襯底上制備的，由于相關的旋涂線性速度的不均勻，限制了有機太陽能電池進一步的大規模連續生產。噴涂、刀片涂層、槽模涂層、噴墨打印等大面積涂層方法，已經廣泛應用于大面積有機太陽能電池的可擴展制造。槽模涂層工藝因為其操作簡單、材料浪費少、生產效率高等優點，被認為是最適合大面積柔性有機太陽能電池卷對卷生產的方法。然而，大面積柔性有機太陽能電池的光伏性能明顯落后于傳統的自旋鍍膜器件。

二、成果掠影

近日，國家納米科學中心魏志祥研究員、呂琨研究員、張建齊副研究員團隊發現兩種受體Qx-1和Qx-2在槽模涂覆過程中表現出截然不同的成膜動力學，報告研究了聚集能力對槽模涂層相分離動力學的影響，并進一步闡明了它們對大面積柔性器件性能的影響。研究人員使用基于PM6:Qx-1和PM6:Qx-2的有機太陽能電池器件，并以鄰二甲苯作為溶劑，進行了原位紫外-可見吸收測量，以了解共混物在槽模涂覆過程中的成膜動力學。

相關研究工作以“In-situ Absorption Characterization Guided Slot-Die-Coated High-Performance Large-area Flexible Organic Solar Cells and Modules”為題發表在國際頂級期刊Advanced Materials上。

三、核心創新

１．研究了聚集能力對槽模涂層相分離動力學的影響，并進一步闡明了它們對大面積柔性器件性能的影響。

２．PM6:Qx-1的30ｃｍ^２的大面積模塊，功率轉換效率超過12%，表明PM6:Qx-1系統具有良好的功率轉換效率。基于PM6: :Qx-1的柔性有機太陽能電池在室溫下在手套箱中儲存超過6000小時后也表現出優異的存儲穩定性，沒有任何退化，這顯示了其未來應用的巨大潛力。

四、數據概覽

圖1　a) PM6、Qx-1和Qx-2的化學結構　b)鄰二甲苯中整齊薄膜和溶液的歸一化吸收光譜，c) J-V曲線，d) 在室溫下由旋轉涂層和槽模涂層的PM6:Qx-1以及PM6:Qx-2共混體系的EQE曲線　? 2022 Wiley

圖2　a)紫外-可見原位吸收測量系統示意圖，b) PM6:Qx-1和PM6:Qx-2形態圖，c)不同涂層溫度下PM6:Qx-1和PM6:Qx-2紫外-可見吸收等高線圖的時間演化，d)吸收等高線圖中Qx-1和Qx-2峰值位置的時間演化　? 2022 Wiley

圖3　a) PET/銀柵基板照片及示意圖　b)模塊結構方案　c)連接模塊照片(180cm²)為智能手機供電　d) J-V曲線和e) 在不同溫度下制成的PM6:Qx-1柔性器件的EQE(1 cm²)曲線，f)大面積器件和模塊的J-V曲線，g)本工作與報道的槽模涂層制備的柔性器件的PCE比較，h)器件在氮氣手套箱中的存儲穩定性　? 2022 Wiley

圖4　a) PM6:Qx-1薄膜在室溫下旋涂(SC)和在不同涂層溫度下槽模涂層(SD)形成的二維GIWAXS　b)面外(OOP)和面內(IP)二維GIWAXS模式的曲線 基于不同基底溫度的旋轉涂層(SC)和槽模涂層(SD)制備的最佳共混膜的c) AFM圖像和d) TEM圖像　? 2022 Wiley

五、成果啟示

綜上所述，文章比較了Qx-1和Qx-2受體共混膜的干膜動力學和器件性能。Qx-2的強結晶度導致其相分離較早，聚集較早，從而產生過大的晶疇，這是槽模涂層器件功率轉換效率非常低的原因。另一方面，在紫外可見光譜的引導下，控制涂層溫度可以使Qx-1形成更理想的疇尺寸。在熱襯底條件下，通過槽模涂覆，基于PM6:Qx-1共混物的1 cm²柔性OSC成功獲得了最高的功率轉換效率為13.70%，填充因子為71%。同樣，由于其優異的薄膜厚度公差和上尺度性能，30 cm²的模塊的功率轉換效率達到了12.20%。此外，柔性電池的功率轉換效率在儲存超過6000小時后仍保持在初始值的103%，顯示出良好的儲存穩定性。封裝后，連接的大面積模塊可以有效地為智能手機供電。鑒于PM6:Qx-1的這種高效的大面積有機太陽能電池模塊，以及其出色的穩定性，為柔性大面積有機太陽能電池的制造提供了一個有效策略。

原文詳情：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202209030

本文由張熙熙供稿。