蘇州納米所馬昌期團(tuán)隊(duì)在噴墨印刷制備高性能有機(jī)光伏電池方面取得新進(jìn)展
有機(jī)太陽能電池具有輕質(zhì)、可半透明化以及可溶液法制備的優(yōu)點(diǎn)。目前基于新型電子受體材料的有機(jī)太陽能電池器件效率已經(jīng)取得了較大突破，但器件有效面積小，制備工藝難以工業(yè)化拓展，距離實(shí)際應(yīng)用有較大差距。噴墨印刷作為一種數(shù)字化增材制造工藝，在工業(yè)化制備有機(jī)太陽能電池顯示出較大的應(yīng)用潛力。而在噴墨印刷制備有機(jī)光伏電池中，對(duì)于薄膜微觀形貌的調(diào)控和器件光伏性能之間的構(gòu)效關(guān)系目前缺乏深入研究。
近年來，中國科學(xué)院蘇州納米所馬昌期、駱群研究員就噴墨印刷有機(jī)光伏活性層微觀相形貌調(diào)節(jié)開展系統(tǒng)研究。前期研究發(fā)現(xiàn)噴墨印刷制備的有機(jī)活性層在薄膜垂直方向上呈現(xiàn)出給體和受體體相均勻分布和在薄膜水平方向上沿印刷線交叉分布的特點(diǎn)，與理想薄膜形貌相比表現(xiàn)出相反的形貌特征。研究團(tuán)隊(duì)利用先受體后給體的分步噴墨印刷策略來解決上述問題。相比于一步法印刷制備的薄膜，分步噴墨印刷的薄膜表現(xiàn)出了理想的垂直相分離結(jié)構(gòu)，同時(shí)也具有較小尺度的分子聚集，使得有機(jī)光活性層具備高效的激子解離、電荷傳輸特性的同時(shí)，也具有高的載流子收集效率，進(jìn)而制備的器件性能到達(dá)了當(dāng)前文獻(xiàn)報(bào)道的最高值（Adv. Energy Mater. 2022, 12, 2200044）。
圖1. 噴墨印刷有機(jī)活性層給受體反常分布及分布印刷策略
近期，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)印刷的薄膜顯示出溫度依賴的“干燥線相關(guān)”相分離形貌和組分變化，這導(dǎo)致了電流分布不均勻性。結(jié)合噴墨印刷成膜方式以及對(duì)電子給、受體分子在印刷主溶劑中溶解性的分析，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為造成相分離差異的原因是再溶解過程中給受體的溶解性差異。基于此，研究團(tuán)隊(duì)引入了一種用于噴墨打印的復(fù)合溶劑策略。四氫萘（THN）具有更高的沸點(diǎn)，同時(shí)對(duì)給受體材料的溶解性差異較小。為此，THN引入使得高溫印刷條件下印刷干燥線現(xiàn)象得到抑制，同時(shí)對(duì)薄膜的聚集尺寸沒有顯著影響。在此基礎(chǔ)上，將二元、三元器件的光電轉(zhuǎn)換效率分別提高到13.96%和15.78%。此外，具有圖案的1 cm2器件的效率為12.80%，認(rèn)證效率為12.18%。這種基于四氫萘作為輔助溶劑的策略同時(shí)證明在其他溶劑體系具有很好的通用性，并且成功制備了25 cm2的大面積印刷薄膜。相關(guān)研究成果近期以Elimination of Drying-Dependent Component Deviation Using a Composite Solvent Strategy Enables High-Performance Inkjet-Printed Organic Solar Cells with Efficiency Approaching 16%為題發(fā)表于Advanced Functional Materials。中國科學(xué)院蘇州納米所博士生桑立風(fēng)是該論文的第一作者，中國科學(xué)院蘇州納米所駱群研究員為通訊作者。
圖2. 使用復(fù)合溶劑策略調(diào)控噴墨印刷過程中的組分分布實(shí)現(xiàn)高效印刷太陽能電池
基于噴墨印刷在制備有機(jī)和鈣鈦礦太陽能電池上具備可觀的應(yīng)用前景。研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)總結(jié)了近年來噴墨印刷制備有機(jī)和鈣鈦礦太陽能電池的電極、界面?zhèn)鬏攲雍凸饣钚詫拥鹊难芯窟M(jìn)展，解析噴墨印刷技術(shù)在有機(jī)以及鈣鈦礦太陽能制備過程中的難點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)噴墨印刷技術(shù)制備薄膜太陽能電池提供參考。相關(guān)成果以Inkjet-Printed Organic Solar Cells and Perovskite Solar Cells: Progress, Challenges, and Prospect發(fā)表在Chinese Journal of Polymer Sciences上。中國科學(xué)院蘇州納米所博士生陳興澤是該論文的第一作者，中國科學(xué)院蘇州納米所駱群研究員和馬昌期研究員為通訊作者。
圖3. 噴墨印刷薄膜太陽能電池組分調(diào)控
上述工作得到了國家自然科學(xué)基金，中國科學(xué)院青促會(huì)，中國科學(xué)院CAS-CSIRO聯(lián)合項(xiàng)目以及中國科學(xué)院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站的支持。
附件下載：
