有機(jī)光伏電池（OSCs）以其輕薄、柔性、可印刷等優(yōu)勢(shì)，在過(guò)去幾年中吸引了廣泛的關(guān)注，被認(rèn)為是下一代光伏技術(shù)的理想選擇。然而，OPVs 的效率和穩(wěn)定性仍然落后于傳統(tǒng)硅太陽(yáng)能電池。

實(shí)現(xiàn)低成本和印刷友好的 OSCs 制備，需要采用具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的光活性分子的厚膜器件。因此，對(duì)于非稠合環(huán)受體材料，如何在較厚的器件中實(shí)現(xiàn)高能量轉(zhuǎn)換效率 (PCE)，具有重大意義。

香港理工大學(xué)李剛教授團(tuán)隊(duì)近期取得重大突破，他們利用順序沉積 (SD) 方法，成功將 D18:A4T-16 有機(jī)活性層的效率從傳統(tǒng)的混合澆注方法的 8.02% 提升至 14.75%，該器件厚度達(dá)到 300 納米。 這一研究成果發(fā)表在國(guó)際頂尖期刊《Advanced Energy Materials》上。

【突破的關(guān)鍵：順序沉積 (SD) 方法】

傳統(tǒng)的混合澆注方法，將供體材料和受體材料溶解在一起，然后通過(guò)旋涂的方式制備活性層。這種方法會(huì)導(dǎo)致材料混合不均勻，形成無(wú)序的分子堆積，進(jìn)而影響器件的效率。

李剛教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地採(cǎi)用了順序沉積 (SD) 方法。該方法首先將供體材料 (D18) 沉積在基底上，形成一層薄膜，然后在上面沉積受體材料 (A4T-16)，最終形成具有良好分子排列的活性層。

SD 方法的優(yōu)勢(shì)：

l  有效促進(jìn)供體和受體材料的互穿，改善形貌控制： SD 方法可以有效促進(jìn)供體和受體材料的互穿，形成更理想的相分離結(jié)構(gòu)，有利于激子的解離和電荷傳輸。

l  實(shí)現(xiàn)垂直分層結(jié)構(gòu)： SD 方法可以實(shí)現(xiàn)供體材料和受體材料的垂直分層結(jié)構(gòu)，這不僅有利于電荷的收集和傳輸，通過(guò)控制每一層的沉積，可以減少界面處的缺陷和不穩(wěn)定因素，可提高器件的穩(wěn)定性。

l  提高光電轉(zhuǎn)換效率：順序沉積方法能夠更好地控制有機(jī)層的厚度和形貌，從而優(yōu)化光的吸收和電荷的傳輸路徑。通過(guò)精確控制活性層材料的沉積，能夠有效減少載流子的復(fù)合，提升光電轉(zhuǎn)換效率。

l  材料選擇的靈活性：順序沉積允許使用不同溶劑和溫度條件，因而可以選擇更多樣化的材料組合。這使得研究人員能夠嘗試不同的材料體系，從而找到最佳的組合來(lái)提升電池性能。

l  便于規(guī)模化生產(chǎn)：該方法相較于傳統(tǒng)的濕法涂覆技術(shù)，更加適合于大面積均勻膜的制備，有利于有機(jī)太陽(yáng)能電池的規(guī)模化生產(chǎn)。這對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中的生產(chǎn)成本控制和工藝一致性具有重要意義。

【Enlitech 設(shè)備的重要性】

光焱科技 (Enlitech) 的 SS-X 太陽(yáng)光模擬器和 QE-R 光伏/太陽(yáng)能電池量子效率量測(cè)方案在該研究中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

i.       SS-X50 的高精度模擬太陽(yáng)光譜，為研究人員提供了真實(shí)的測(cè)試環(huán)境，確保測(cè)試結(jié)果的可靠性。

ii.     QE-R 則可以幫助研究人員分析不同波長(zhǎng)下器件的光電轉(zhuǎn)換效率，從而優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和材料選擇。

【突破性的成果】

i.       采用 SD 方法制備的 D18:A4T-16 器件，在 300 納米、500 納米和 800 納米厚度下都展現(xiàn)出 FoM-X 值，這表明該器件在較大厚度下也能保持良好的性能。

ii.      研究團(tuán)隊(duì)定義了一個(gè)新的指標(biāo)來(lái)強(qiáng)調(diào)厚膜器件的性能，稱為 "FoM-X"。該指標(biāo)可以更好地評(píng)估非稠合環(huán)受體材料在厚膜器件中的性能，為該領(lǐng)域的研究提供了新的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

【未來(lái)展望】

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）和有機(jī)太陽(yáng)能電池（OSCs）各有優(yōu)勢(shì)和不足。PSCs具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率，但面臨穩(wěn)定性和環(huán)保方面的挑戰(zhàn)；OSCs的制備簡(jiǎn)單、成本低、環(huán)保性好，在空氣中的操作穩(wěn)定性較好，但效率較PSCs略低。未來(lái)的研究和發(fā)展將繼續(xù)在提高效率、穩(wěn)定性和降低成本方面進(jìn)行優(yōu)化。

透過(guò)幾個(gè)面向來(lái)觀察未來(lái)可發(fā)展的優(yōu)化模式:

i.          開(kāi)發(fā)新型材料: 于新型受體及高性能給體材料，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率和更好穩(wěn)定性。

ii.           界面工程: 修飾界面層來(lái)減少界面處的缺陷和非輻射復(fù)合外，開(kāi)發(fā)新的界面層材料，改善電荷傳輸和減少能量損失。

iii.           優(yōu)化制備工藝: 如李剛教授團(tuán)隊(duì)的突破性順序沉積改進(jìn)研究成果，並為其大面積化和穩(wěn)定性提升提供了有效策略。持續(xù)改進(jìn)順序沉積工藝，如沉積條件、溶劑選擇、層厚控制等，以實(shí)現(xiàn)更好的形貌和性能。

iv.           封裝和穩(wěn)定性: 開(kāi)發(fā)更有效的封裝技術(shù)，防止水氧侵入，提高器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性;及抗環(huán)境穩(wěn)定性材料，延長(zhǎng)有機(jī)太陽(yáng)能電池的使用壽命。

v.                多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì): 通過(guò)不同層的材料組合，進(jìn)一步提升光吸收和電荷分離效率。另外，漸變結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)更有效的光捕獲和電荷傳輸。

vi.           結(jié)合智能化制造技術(shù): 利用噴墨打印、刮刀涂布等先進(jìn)制造技術(shù)，降低生產(chǎn)成本并提升制造精度。運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)，優(yōu)化材料組合、工藝參數(shù)和器件設(shè)計(jì)。

【圖文解讀】

Figure 3. 光伏效能:通過(guò)混合鑄造和 SD 工藝處理的 D18:A4T-16 系統(tǒng)的器件參數(shù)變化。

Table 1. 器件效能

。

Figure 6. a) eC9 的化學(xué)結(jié)構(gòu)。 b) J-V 曲線和 c) 基于 D18:A4T-16 和 D18:eC9 的 SD 型器件的 EQE 光譜。

原文出處: ADVANCED ENERGY MATERIALS