摘要
中科院化学所侯剑辉、郑众和Jianqiu Wan团队在《Advanced Materials》(先进材料)期刊上发表了一篇研究论文，题为「Fluid Control of Dip Coating for Efficient Large-Area Organic Solar Cells」，本研究成功地将低成本的浸涂技术应用于大面积有机太阳能电池的制造，打破了传统上认为浸涂法不适用于可印刷电子组件的观念。研究团队不仅展示了浸涂法在有机太阳能电池制造，更深入探讨了前驱物薄膜中凡德瓦力、聚合物聚集状态、活性层纤维取向、以及受限液体流体力学之间的关联性。通过精确控制流体特性，成功形成了理想的奈米级双连续互穿网络结构，使得1平方公分刚性组件和10平方公分柔性组件分别实现了17.9%和13.7%的能量转换效率。
研究成就与看点
工艺技术创新
该研究采用传统低成本的浸涂法，成功制备出大面积有机太阳能电池，开创了可印刷电子产品的新途径
通过精确控制浸涂工艺参数，实现了在铜棒等弯曲导电基底上直接制备有机太阳能电池的突破性进展
材料特性与机理研究
深入揭示了前驱体薄膜中范德瓦尔斯力、聚合物聚集态与活性层纤维取向之间的内在关联
系统阐明了聚合物骨架中受限液体的流体动力学特性与受体相连续性的作用机制
通过调控流体特性，成功构建了理想的纳米尺度互穿连续网络结构
流体动力学深度解析
基于流体力学模拟和原位快速响应紫外-可见吸收测试，将涂层区域系统划分为三个特征区域
深入研究了各区域中分子链聚集与构型演变对范德瓦尔斯力的影响
揭示了流体动力学参数与最终薄膜形貌之间的关键联系
工艺优化与效率提升
建立了预测特定墨水最佳涂布速度的理论模型，阐明了墨水的范德瓦尔斯力、驻点与最佳涂布速度之间的普遍关联
通过优化BHJ和界面层的浸涂条件，1.0 cm2刚性器件实现17.9%的光电转换效率
成功将10.0 cm2刚性和柔性器件的效率分别提升至15.1%和13.7%，是该领域最高值
研究团队
本研究由中国科学院化学研究所侯剑辉团队完成，Jianqiu Wang为论文第一作者，侯剑辉(Jianhui Hou)、郑众(Zhong Zheng)为论文共同通讯作者。
研究背景
浸涂法作为一种传统的低成本技术，尚未广泛应用于可印刷电子产品领域。先前研究在利用浸涂法制备高效有机太阳能电池时，可能遇到的困难与挑战包括：
○难以精确调控活性层的微观形貌，从而影响器件的光电转换效率。
○缺乏对浸涂过程中流体力学行为的深入理解，难以实现最佳的涂布参数。
解决方案：
本研究针对上述挑战，提出了以下解决方法：
•深入研究浸涂过程中的流体力学行为，揭示前驱体薄膜中范德华力、聚合物聚集态与活性层中纤维取向之间的关联性，并阐明聚合物支架中受限液体的流体力学与受体相连续性之间的关系。
•通过控制流体特性，例如溶剂挥发速率、溶液黏度等，实现对活性层微观形貌的精确调控，从而优化器件性能。
•建立预测特定油墨浸涂最佳涂布速度的方法，为实际生产提供指导。
实验过程与步骤
1.材料制备：
○研究所使用的主要材料包括 PBDB-TF（给体聚合物）、BTP-eC9（受体分子）、PDINN、PEDOT:PSS 等。
○使用氯仿 (CF) 作为溶剂，并添加 DIO 作为添加剂。
2.器件制备：
○使用玻璃/ITO 或 PEN/ITO 作为基板。
○依序在基板上浸涂 PEDOT:PSS（电洞传输层）、PBDB-TF:BTP-eC9（活性层）和 PDINN（电子传输层）。
○在活性层表面热退火，溅镀 Ag 电极，制备刚性和柔性有机太阳能电池。
3.浸涂过程控制：
○使用客制化的浸涂设备，精确控制提拉速度。
○通过 COMSOL 模拟和 ISFR-Abs 数据，将涂布区域划分为三个区域，并研究各区域中的流体力学行为。
○调控溶剂挥发速率、溶液黏度等参数，控制活性层微观形貌。
4.在铜棒上制备 OSCs：
○将全印刷有机太阳能电池制备在铜棒上。
○证明了在弯曲的导电表面上直接制作有机太阳能电池的可行性。
研究成果表征
•光伏性能测试 (Photovoltaic Performance)：
○太阳光模拟器 (Solar Simulator)：使用光焱科技Enlitech AM 1.5G (100 mW cm?2) SS-F5-3A太阳光模拟器，模拟真实太阳光照条件，测量器件的电流密度-电压 (J-V) 曲线。
○推荐使用光焱科技Enlitech SS-X太阳光模拟器，AAA等级太阳光模拟器，可精确模拟太阳光谱，提供稳定的光照强度，确保 J-V 曲线测试的准确性与可重复性。
图3i：展示了五种 4.0 mm2 刚性 OSC 的 J-V 曲线。
图4c：展示了刚性、柔性和棒状 OSC 在 AM 1.5G、100 mW cm?2 光照下的 J–V 或 I–V 曲线。
Table 3：展示了大面积刚性、柔性和棒状 OSC 在 AM 1.5G, 100 mW cm?2 下的光伏性能
○研究中，1 cm2刚性电池的最佳PCE达到17.9%，已通过中国国家计量科学研究院 (NIM)认证为 17.6%；10 cm2柔性电池的PCE达到13.7%，证实了浸涂法在制备高效有机太阳能电池方面的潜力。
•外量子效率 (EQE) 测量 (External Quantum Efficiency)：
○外量子效率 (EQE)：研究使用Enlitech QE-R3011 太阳能电池光谱响应测量系统进行EQE数据量测，分析活性层的光吸收特性和电荷传输效率。
推荐使用Enlitech QE-R 太阳能电池量子效率光学仪，高精度QE/IPCE测试系统
图S45：展示了 Flow 1-5 处理的 OSC 的 EQE 光谱
○ EQE 映射 (EQE mapping)：研究使用Enlitech LSD4系统进行EQE mapping 测量，配备520 nm雷射，评估大面积器件的均匀性。
图4b：展示了大面积刚性、柔性及棒状有机太阳能电池的照片及其外量子效率（EQE）分布图。
结果表明，刚性和柔性电池均表现出均匀的高EQE，证明了BHJ和界面层的高质量。
○ FTPS-EQE 测量 (FTPS-EQE measurements)：使用Enlitech PECT-600整合系统，通过锁相放大器放大和调制光电流。
推荐使用光焱科技Enlitech FTPS傅立叶转换光电流测试仪，高灵敏度的光电流和 EQE / IPCE 系统，可精确测量太阳能电池的EQE曲线，评估器件的光谱响应特性。
○EQEEL 测量 (EQEEL measurements)：通过Enlitech ELCT-3010(REPS)施加外部电压/电流源，测量器件的 EQEEL。EQEEL测量有助于研究器件的电致发光 (EL) 行为，分析电压与电流对 EQE 的影响。
•其他表征：
○原子力显微镜 (AFM)：观察薄膜表面的形貌特征。(图3b、S33、S34)
○掠入射广角X射线散射 (GIWAXS)：用于分析薄膜的晶体结构和分子取向。(图 3c、d、S54c、d、表S10、S21)
○共振软X射线散射 (RSoXS)：用于研究薄膜的相分离和 domain size。
图 3a：不同流场涂覆的 BHJs 的 RSoXS 图
○有机场效晶体管 (OFET)：测量沿涂覆方向的电洞迁移率 (μhole,parall) 和电子迁移率 (μelectron,parall)，以及垂直于涂覆方向的电洞迁移率 (μhole,perp) 和电子迁移率 (μelectron,perp)。
图 3f：Flow 1-5 的所有迁移率。
○空间电荷限制电流 (SCLC)：用于测量垂直方向的载流子迁移率。
○低温透射电子显微镜 (Cryo-TEM)：用于观察奈米结构。(图2h-l)
○原位快速响应紫外-可见吸收光谱 (ISFR-Abs)：用于监测薄膜形成过程中材料的吸收特性变化。(图2b-c、图S25-26)
研究结论
•浸涂法适用于制造大面积有机太阳能电池：这项研究展示了通过浸涂法制备大面积有机太阳能电池的可能性，证明了浸涂法作为一种传统的低成本技术，可以用于制造高效能有机太阳能电池。研究也表明，使用浸涂法制造有机太阳能电池，不需昂贵的涂布头，在高能源预算下仍具有很大的潜力。
•揭示了浸涂过程中多项因素的相关性：研究揭示了前驱体膜中的范德华力、聚合物的聚集状态和活性层中纤维取向之间的相关性，并阐述了聚合物支架中受限液体的流体力学与受体相连续性之间的关系。研究确认了 FVDW/? 在决定弯液面轮廓、链段演化和纤维纹理中的重要性。研究团队通过仔细追踪流体流动和链段构型演化，提出了关键点（AS1-AS4）。
•实现了高效率的有机太阳能电池：通过控制流体特性，可以形成理想的奈米级互穿连续网络，从而提高电池效率。研究成功制备了1.0 cm2刚性电池，效率达到 17.9%，10.0 cm2 柔性电池的效率达到 13.7%。研究也记录了 1 cm2 刚性电池的最佳 PCE 为 17.9%，10 cm2 刚性和柔性电池的 PCEs 分别达到 15.1% 和 13.7%，是该领域的最高值。
•提出了预测最佳涂布速度的方法：研究揭示了油墨的 FVDW、SP 与 Uoptimal 之间存在更普遍的关系，可以用于预测给定油墨的最佳涂布速度。
•展示了浸涂技术在制备高效大面积/不规则形状 OSCs ：研究证明可以在铜棒上制作 OSCs，并证明了在弯曲的导电表面上直接制作 OSCs 的可行性。
•优化大面积和柔性 OSC 的浸涂条件：通过优化 BHJ 和界面层的浸涂条件，相应的全印刷有机太阳能电池 (OSC) 表现出出色的光伏性能4。对于 1 cm2 的刚性电池，记录的最佳 PCE 为 17.9%。对于 10 cm2 的刚性和柔性电池，PCEs 分别达到 15.1% 和 13.7%，是该领域的最高值。
文献参考自Advanced Materials_DOI: 10.1002/adma.202417160
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