AM：原位吸收表征槽模涂层高性能大面积柔性有机太阳能电池

一、导读

有机太阳能电池(OSCs)由于其低成本、重量轻和机械柔性的优点，在过去几年中引起了广泛的关注。新型光活性材料的开发和界面工程的创新，使得有机太阳能电池的功率转换效率有了显著的提高。小面积单结有机太阳能电池的功率转换效率已达到19%以上，为扩大规模提供了必要的基础。然而，有效面积小于0.1 cm²的器件通常是通过旋涂法在ITO玻璃衬底上制备的，由于相关的旋涂线性速度的不均匀，限制了有机太阳能电池进一步的大规模连续生产。喷涂、刀片涂层、槽模涂层、喷墨打印等大面积涂层方法，已经广泛应用于大面积有机太阳能电池的可扩展制造。槽模涂层工艺因为其操作简单、材料浪费少、生产效率高等优点，被认为是最适合大面积柔性有机太阳能电池卷对卷生产的方法。然而，大面积柔性有机太阳能电池的光伏性能明显落后于传统的自旋镀膜器件。

二、成果掠影

近日，国家纳米科学中心魏志祥研究员、吕琨研究员、张建齐副研究员团队发现两种受体Qx-1和Qx-2在槽模涂覆过程中表现出截然不同的成膜动力学，报告研究了聚集能力对槽模涂层相分离动力学的影响，并进一步阐明了它们对大面积柔性器件性能的影响。研究人员使用基于PM6:Qx-1和PM6:Qx-2的有机太阳能电池器件，并以邻二甲苯作为溶剂，进行了原位紫外-可见吸收测量，以了解共混物在槽模涂覆过程中的成膜动力学。

相关研究工作以“In-situ Absorption Characterization Guided Slot-Die-Coated High-Performance Large-area Flexible Organic Solar Cells and Modules”为题发表在国际顶级期刊Advanced Materials上。

三、核心创新

１．研究了聚集能力对槽模涂层相分离动力学的影响，并进一步阐明了它们对大面积柔性器件性能的影响。

２．PM6:Qx-1的30ｃｍ^２的大面积模块，功率转换效率超过12%，表明PM6:Qx-1系统具有良好的功率转换效率。基于PM6: :Qx-1的柔性有机太阳能电池在室温下在手套箱中储存超过6000小时后也表现出优异的存储稳定性，没有任何退化，这显示了其未来应用的巨大潜力。

四、数据概览

图1　a) PM6、Qx-1和Qx-2的化学结构　b)邻二甲苯中整齐薄膜和溶液的归一化吸收光谱，c) J-V曲线，d) 在室温下由旋转涂层和槽模涂层的PM6:Qx-1以及PM6:Qx-2共混体系的EQE曲线　© 2022 Wiley

图2　a)紫外-可见原位吸收测量系统示意图，b) PM6:Qx-1和PM6:Qx-2形态图，c)不同涂层温度下PM6:Qx-1和PM6:Qx-2紫外-可见吸收等高线图的时间演化，d)吸收等高线图中Qx-1和Qx-2峰值位置的时间演化　© 2022 Wiley

图3　a) PET/银栅基板照片及示意图　b)模块结构方案　c)连接模块照片(180cm²)为智能手机供电　d) J-V曲线和e) 在不同温度下制成的PM6:Qx-1柔性器件的EQE(1 cm²)曲线，f)大面积器件和模块的J-V曲线，g)本工作与报道的槽模涂层制备的柔性器件的PCE比较，h)器件在氮气手套箱中的存储稳定性　© 2022 Wiley

图4　a) PM6:Qx-1薄膜在室温下旋涂(SC)和在不同涂层温度下槽模涂层(SD)形成的二维GIWAXS　b)面外(OOP)和面内(IP)二维GIWAXS模式的曲线 基于不同基底温度的旋转涂层(SC)和槽模涂层(SD)制备的最佳共混膜的c) AFM图像和d) TEM图像　© 2022 Wiley

五、成果启示

综上所述，文章比较了Qx-1和Qx-2受体共混膜的干膜动力学和器件性能。Qx-2的强结晶度导致其相分离较早，聚集较早，从而产生过大的晶畴，这是槽模涂层器件功率转换效率非常低的原因。另一方面，在紫外可见光谱的引导下，控制涂层温度可以使Qx-1形成更理想的畴尺寸。在热衬底条件下，通过槽模涂覆，基于PM6:Qx-1共混物的1 cm²柔性OSC成功获得了最高的功率转换效率为13.70%，填充因子为71%。同样，由于其优异的薄膜厚度公差和上尺度性能，30 cm²的模块的功率转换效率达到了12.20%。此外，柔性电池的功率转换效率在储存超过6000小时后仍保持在初始值的103%，显示出良好的储存稳定性。封装后，连接的大面积模块可以有效地为智能手机供电。鉴于PM6:Qx-1的这种高效的大面积有机太阳能电池模块，以及其出色的稳定性，为柔性大面积有机太阳能电池的制造提供了一个有效策略。

原文详情：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202209030

本文由张熙熙供稿。