一种用于制造有机电池光敏层的高速顺序沉积策略

有机光伏，基于有机半导体的太阳能装置，迄今为止在实验环境中取得了非常有希望的结果，无论是在效率还是稳定性方面。然而，工程师们还没有设计出可靠的策略来以合理的成本大规模制造这些设备。

中国武汉大学的研究人员最近发现了一种方法，可以促进有机太阳能电池的光活性层的快速制造，而不会影响电池的效率和稳定性。他们在NatureEnergy上发表的一篇论文中介绍了他们提出的策略，该策略基于顺序沉积，这是一种通常用于在基板上沉积有机半导体和钙钛矿薄膜的方法。

“要实现有机光伏(OPV)的商业化，应该同时考虑功率转换效率(PCE)、稳定性和成本的金三角，”执行该研究的研究人员之一杰敏告诉TechXplore。

“目前大多数研究人员都在关注这三个参数。然而，在能源行业，人们更关注能源或电力的平准化成本(LCOE)，它与具有生产激励的终端客户更相关，其计算涉及许多本地技术经济假设，包括生命周期分析、模块工作温度和高处理吞吐量等。”

为了评估有机太阳能电池，Min和他的同事们希望超越所谓的效率、稳定性和成本的“黄金三角”。具体来说，他们希望专注于LCOE，它衡量特定发电机或能源设备在其生命周期内的平均净当前发电成本。

研究人员认为，这项措施与OPV开发的当前状态特别相关，因为它们可以在效率和稳定性方面带来进步。更具体地说，只有在产能和组件良率显着提高的情况下，OPV的大规模商业开发才有可能，这反过来又会降低太阳能电池的整体成本。

“例如，正如我们之前的一份报告所预测的那样，将吞吐量从1.44提高到3.0m2min-1可以将制造成本降低20%，”Min解释说。“这项分析为我们找到解决模块制造过程中的高吞吐量问题的方法提供了先决条件。我们认为高吞吐量因素与‘金三角’的三个参数一样重要。”

在他们之前的一些论文中，Min和他的同事表明，表现出高效率的OPV系统只能以0.3-1.5mmin-1的线速度进行常规刀片涂层和槽模涂层。不幸的是，这些速率仍显着低于通过银栅电极工艺(>20mmin-1)和界面层印刷工艺(>10mmin-1)获得的速率。

“我们研究的主要目标是确定解决光活性层高通量问题的有效策略，”Min说。“为了我们的幸福，我们还能够确定一种可行的逐层(LbL)处理技术。”

Min和他的同事能够使用LbL处理策略创建具有高涂布速度的OPV光敏层。这种策略需要连续沉积施主层和受主层，而不是混合施主和受主材料来创建所谓的体异质结，这是传统沉积方法的基础。

“在我们之前的工作中，我们发现这种LbL方法不仅可以提高器件效率和稳定性，还可以克服器件或模块效率的缩放滞后，”Min说。“其他研究还表明，这种LbL方法可以改善器件中的激子扩散长度，并克服由LbL方法制造的合适的垂直相形态引起的分子量问题。”

Min和他的同事最近收集的发现证实了他们之前的一些发现，表明LbL处理方法比基于供体：受体体异质结的方法更可靠，并且更少依赖一般的成膜条件。值得注意的是，他们确定的处理策略也适用于非卤化溶剂，并且可以在高湿度条件下工作。

“我们的工作表明，我们不仅应该关注功率转换效率(PCE)、稳定性和成本的金三角，还需要更加关注重要的因素(例如高吞吐量)，这也决定了可能的应用的OPV，”Min说。“此外，我认为我们的工作是将我们的重点从‘金三角’转移到LCOE的良好开端，尤其是对材料科学家和工程师而言。”

作为他们最近研究的一部分，研究人员使用他们确定的LbL处理技术为OPV系统创建了一系列光敏层，即PM6:Y6、PM6:N3、PM6-Ir1:Y6、PM1:Y6和PTQ10:Y6。然而，它也可以应用于制造其他非富勒烯光伏系统。

“我们的工作代表着向具有高性能和高产量的可扩展、经济高效的有机光伏制造迈出了一步，”Min补充道。“我未来的研究计划将集中在两个目标上：一是找到一种理想的材料体系，它具有高效率、优异的稳定性、低成本的材料合成和高速涂层的可加工性，二是构建可商用的设备架构。”

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