Advanced Materials: 剪切冲量调控实现柔性有机太阳能电池大面积印刷制备

随着有机太阳能电池器件性能的逐步提高(单节器件效率现已超过16%),众多课题组将太阳能光电器件的研究从活性层给/受体分子设计和器件结构的优化转移到柔性大面积印刷上来,并取得了可观的进展。然而,很少有工作将实验室小面积旋涂技术与工业上卷对卷印刷工艺结合起来,探求二者间存在的定量关系,这主要是因为单从工艺参数上确定二者间联系十分困难。因此,采用合适的计算或表征手段联系二者就显得十分重要。一方面,这有利于降低卷对卷印刷工艺的性能损失,另一方面,这也有助于印刷有机太阳能电池的商业化应用。

针对上述问题,南昌大学/江西师范大学陈义旺教授、胡笑添研究员团队联合西安交通大学马伟教授课题组首次通过冲量计算,并结合形貌一致性表征和CGMD模拟,证实了传统旋涂工艺与狭缝挤出印刷工艺间的内在联系,并定量计算出了二者形貌演化间的转换系数,这种规律在富勒烯和非富勒烯受体体系中均得到证实。 此外,探究二者间联系的研究思路也为未来印刷有机太阳能电池的商业化应用开辟了一条切实可行的理论道路。

在经典力学中,物体所受合外力引起的动量增量,称之为冲量。与状态量动量不同,冲量是一种过程量,表述了力对质点作用一段时间的累积效应,反应了质点运动状态发生变化的原因。分析和计算不同成膜条件下获得活性层薄膜所受冲量的累积量,并将其与多种形貌表征技术(形貌演化,分子链堆叠和动力学模拟)结合起来,就能借助形貌一致性研究寻找出不同成膜条件下薄膜所受冲量累积量间的联系,继而表明冲量作用对形貌的影响。通过综合考量墨水浓度及制膜过程中的具体参数(旋涂转速,印刷走带速度,墨水入料速度等),证实了传统旋涂工艺与狭缝挤出技术间的冲量转换因子,并借此全印刷制备了低效率损失的高效大面积有机太阳能电池模组。基于1.04 cm2有效面积的富勒烯受体PTB7-Th:PC71BM)和非富勒烯受体(PBDB-T:ITIC)太阳能电池器件,器件效率达到了9.10%和9.77%,基于15 cm2有效面积的富勒烯受体和非富勒烯受体太阳能电池模组,器件效率分别为7.58%和8.90%。

结合形貌一致性表征的冲量累积量计算的研究思路巧妙解决了目前光电器件由小面积旋涂制备到到大面积卷对卷印刷过程中很难将二者真正定量联系起来的难题,也为未来印刷有机太阳能电池的商业化应用开辟了一条实际可行的理论道路。

该研究工作以“A General Approach for Lab-to-Manufacturing Translation on Flexible Organic Solar Cells”为题发表在 Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.201903649) 上,南昌大学的孟祥川博士和中南大学的张霖教授为本工作的共同第一作者。