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用于有机太阳能电池制造的光活性层的高速顺序沉积

摘要

尽管有机光伏在实验室规模的设备效率和稳定性方面取得了巨大成功,但对高通量和高成本的解决方案的迫切需求仍然没有得到解决,而且很少报道。在这里,我们提出了一种使用供体和受体材料的顺序沉积,叶片涂层方法,可以促进高速制造光活性层,同时保持器件性能。通过对溶液浓度和镀膜速度的微调,可优化所设计的PM6:T8体系的顺序沉积共混工艺及其厚度。我们表明,这一策略可以应用于无卤溶剂和高湿度条件下。这种高速方法也适用于其他非富勒烯光伏系统和槽模镀膜技术。技术经济分析表明,该策略可以降低模块制造的最低可持续价格。总的来说,这项工作代表着向有机光伏的可扩展、高成本的高性能和高吞吐量制造迈出了一步。

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图1:分子结构,溶液处理技术和光伏特性。
图2:光伏性能和器件稳定性。
图3:形态特征和物理动力学研究。
图4:各光伏系统器件性能。
图5:使用SDC技术制作的高速BHJ和LbL器件。
图6:模块性能、制造成本和MSP分析。

数据可用性

在这项研究中产生或分析的所有数据都包含在发表的文章及其补充信息文件。源数据都提供了这张纸。

参考文献

  1. Brabec, C. J.等。加速OPV技术向GW技术发展的材料策略。能量脱线。10, 2001864(2020)。

    文章谷歌学者

  2. 靳桂平,田淑娟,文德坤。多功能半透明有机太阳能电池用光吸收材料的研究进展。放置功能。板牙。31, 2007931(2021)。

    文章谷歌学者

  3. 赵f .等。提高非富勒烯有机太阳能电池效率和稳定性的新方法。能量脱线。10, 2002746(2020)。

    文章谷歌学者

  4. Burgués-Ceballos, I.等。透明有机光伏:促进商业化的战略利基。焦耳5, 2261-2272(2021)。

    文章谷歌学者

  5. 王刚等。协同优化使大面积柔性有机太阳能电池保持小面积刚性器件98%以上的PCE。放置板牙。32, 2005153(2020)。

    文章谷歌学者

  6. 格森,a.s,卡斯特罗,M. F., Søndergaard, R. R. & Andreasen, J. W.基于非富勒烯受体的可伸缩有机太阳能电池制造。Flex。打印。电子。5, 014004(2020)。

    文章谷歌学者

  7. Carlé, J. E.等。克服聚合物太阳能电池的结垢滞后。焦耳1, 274-289(2017)。

    文章谷歌学者

  8. 卢瑟拉,L.等。高效、大面积、辊涂柔性和刚性OPV模块,几何填充系数高达98.5%,采用商用材料加工而成。能源环境。科学。9, 89-94(2015)。

    文章谷歌学者

  9. 李,C.等。具有支链侧链和改进的分子填料的非富勒烯受体在有机太阳能电池中的效率超过18%。Nat。能源6, 605-613(2021)。

    文章谷歌学者

  10. 詹。等。层层处理的三元有机光伏,效率超过18%。放置板牙。33, 2007231(2021)。

    文章谷歌学者

  11. Hong, L.等18.5%效率有机太阳能电池与混合平面/体异质结。放置板牙。33, 2103091(2021)。

    文章谷歌学者

  12. 孙,R.等。PEDOT:无PSS聚合物非富勒烯聚合物太阳能电池,效率高达18.60%,采用二元溶剂氯化ITO阳极。放置功能。板牙。31, 2106846(2021)。

    文章谷歌学者

  13. 林,杨,等。自组装单层膜使空眼运输无层有机太阳能电池具有18%的效率和改进的操作稳定性。ACS能源公司。5, 2935-2944(2020)。

    文章谷歌学者

  14. Park, S.等。大面积有机光伏的材料、溶液工艺和长期稳定性的进展。放置板牙。32, 2002217(2020)。

    文章谷歌学者

  15. 孙,R.等。具有两个良好兼容的聚合物受体的三元全聚合物太阳能电池达到17%以上的效率。焦耳5, 1548-1565(2021)。

    文章谷歌学者

  16. Ghasemi等人。预测有机太阳能电池稳定性的分子相互作用扩散框架。Nat。板牙。20., 525-532(2021)。

    文章谷歌学者

  17. 徐旭,等。接口增强有机太阳能电池,外推T80寿命超过20年。科学。公牛。65, 208-216(2020)。

    文章谷歌学者

  18. 李,杨,等。具有超过30年内在运行寿命的非富勒烯受体有机光伏。Commun Nat。12, 5419(2021)。

    文章谷歌学者

  19. Du, x等。基于非富勒烯受体的高效聚合物太阳能电池,潜在设备寿命接近10年。焦耳3., 215-226(2018)。

    文章谷歌学者

  20. 张旭,等。增强非共价熔合环电子受体分子刚性和光伏性能的侧链工程。Angew。化学。Int。艾德。60, 17720-17725(2021)。

    文章谷歌学者

  21. 杜德尼克,A. S.等。无锡直接C-H芳基化聚合制备高光伏效率共轭共聚物。j。化学。Soc。138, 15699-15709(2016)。

    文章谷歌学者

  22. 孙,R.等。无夹层的高性能全小分子有机太阳能电池。能源环境。科学。14, 3174-3183(2021)。

    文章谷歌学者

  23. 郭军,闵杰。有机太阳能组件的成本分析。能量脱线。9, 1802521(2018)。

    文章谷歌学者

  24. 吴,q等人。高性能全聚合物太阳能电池,采用伪双层结构,采用逐步优化策略。放置功能。板牙。31, 2010411(2021)。

    文章谷歌学者

  25. G. Bernardo, Lopes, T., lizey, d.g.和Mendes, A.有机光伏器件升级的进展。能量脱线。11, 2100342(2021)。

    文章谷歌学者

  26. 郑,S.等。采用温度无关印刷方法制备大面积非富勒烯有机太阳能电池组件。ACS达成。板牙。接口12, 41877-41885(2020)。

    文章谷歌学者

  27. Krantz, j等人。喷涂银纳米线作为顶部电极层在半透明P3HT: pcbm基有机太阳能电池器件。放置功能。板牙。23, 1711-1717(2012)。

    文章谷歌学者

  28. 马铮,赵斌,龚玉玉,邓晶,谭铮。实现有机光伏大规模生产的绿色溶剂可加工策略。j .板牙。化学。一个7, 22826-22847(2019)。

    文章谷歌学者

  29. 吴,q等人。槽模印刷非富勒烯有机太阳能电池,效率最高,为12.9%,用于低成本pv驱动的水裂解。纳米能量61, 559-566(2019)。

    文章谷歌学者

  30. Ricciardulli a.g., Yang S, Feng X. & Blom, P. W. m。有机太阳能电池用可溶液加工的高质量石墨烯。ACS达成。板牙。接口9, 25412-25417(2017)。

    文章谷歌学者

  31. 袁杰等。图案叶片涂层策略可以增强器件的再现性和优化有机太阳能电池的形貌。能量脱线。11, 2100098(2021)。

    文章谷歌学者

  32. 库马里,t等人。通过水温控制,采用空气处理的自发扩散工艺制备有机太阳能电池,效率超过13.8%。纳米能量85, 105982(2021)。

    文章谷歌学者

  33. 孙,R.等。一种可打印有机太阳能电池的逐层结构,克服了模块效率的缩放滞后。焦耳4, 407-419(2020)。

    文章谷歌学者

  34. Liu, K.等。柔性有机太阳能电池的滚涂制备:富勒烯和无富勒烯系统的比较。j .板牙。化学。一个4, 1044-1051(2016)。

    文章谷歌学者

  35. 安德森,T. R.等。全卷对卷制备的有机太阳能电池在正常几何形状与溅射涂层铝顶部电极。Sol.能量脱线。细胞溶胶。149, 103-109(2016)。

    文章谷歌学者

  36. 董晟,贾涛,张凯,景俊,黄峰,效率超过14%的单组分无卤素溶剂处理的高性能有机太阳能电池组件。焦耳42004-2016(2020)。

    文章谷歌学者

  37. Hosel, M.等。用于有机电子产品卷对卷发展的大批量加工、不含ito的上覆层和衬底。放置科学。1, 1400002(2014)。

    文章谷歌学者

  38. Jakubka, F.等。确定有机光伏油墨的涂覆速度限制。Sol.能量脱线。细胞溶胶。109, 120-125(2013)。

    文章谷歌学者

  39. 崔,C.等。高性能有机太阳能电池基于小分子的烷基硫代噻吩共轭侧链,无需额外处理。放置板牙。27, 7469-7475(2015)。

    文章谷歌学者

  40. 张涛,曾国光,叶芳,赵旭光,杨旭光。含铸态和厚度不敏感光活性层的高效非富勒烯有机光伏组件。能量脱线。8, 1801387(2018)。

    文章谷歌学者

  41. 常勇,朱晓霞,陆凯,魏铮,厚膜有机太阳能电池的研究进展与展望。j .板牙。化学。一个9, 3125-3150(2021)。

    文章谷歌学者

  42. Strohm, S.等。P3HT:基于非富勒烯受体的大面积半透明光伏模块,功率转换效率为5%,采用工业可扩展方法加工。能源环境。科学。11, 2225-2234(2018)。

    文章谷歌学者

  43. 吴,q等人。通过电子连接器定制聚合物受体以实现高效和稳定的全聚合物太阳能电池。国家的科学。牧师。9, nwab151(2021)。

    文章谷歌学者

  44. 孙,R.等。一种高效非富勒烯有机太阳能电池的通用逐层溶液处理方法。能源环境。科学。12, 384-395(2019)。

    文章谷歌学者

  45. 郑勇,等。用于印刷非富勒烯有机太阳能电池的伪双层薄膜的基板温度依赖性垂直成分梯度。能量脱线。11, 102135(2021)。

    文章谷歌学者

  46. 秦勇,李晓燕等。基于btp的有机太阳能电池的性能稳定性难题。焦耳5, 2129-2147(2021)。

    文章谷歌学者

  47. Ma, Y.等。高效有机太阳能电池的分子取向控制m系列受体。焦耳5, 197-209(2020)。

    文章谷歌学者

  48. 袁杰等。单结有机太阳能电池,效率超过15%,采用熔合环接收器缺乏电子的核心。焦耳3., 1140-1151(2019)。

    文章谷歌学者

  49. 崔,杨,等。单结有机光伏电池,效率19%。放置板牙。33, 2102420(2021)。

    文章谷歌学者

  50. 王艳,詹旭。逐层加工有机太阳能电池。能量脱线。6, 1600414(2016)。

    文章谷歌学者

  51. 刘s,等。可打印和大面积有机太阳能电池,由三元伪平面异质结策略实现。放置功能。板牙。30., 2003223(2020)。

    文章谷歌学者

  52. 黄,H.等。基于低成本聚合物供体和小分子受体的绿色溶剂有机太阳能电池。j .板牙。化学。C8, 7718-7724(2020)。

    文章谷歌学者

  53. Jiang, K.等。伪双层结构使高性能有机太阳能电池具有增强的激子扩散长度。Commun Nat。12, 468(2021)。

    文章谷歌学者

  54. 翁,K.等。优化活性层形态,实现高效和聚合物批不敏感有机太阳能电池。Commun Nat。11, 2855(2020)。

    文章谷歌学者

  55. Bi, p,等。减少非辐射电荷重组使有机光伏电池的效率接近19%。焦耳5, 2408-2419(2021)。

    文章谷歌学者

  56. 朱,C.等。调谐非富勒烯受体的缺电子核心,在单结有机太阳能电池中实现17%以上的效率。能源环境。科学。13, 2459-2466(2020)。

    文章谷歌学者

  57. Hong, L.等。生态兼容的溶剂处理有机光伏电池,效率超过16%。放置板牙。31, 1903441(2019)。

    文章谷歌学者

  58. 王伟等。用于高性能全聚合物太阳能电池的低带隙聚合物受体分子质量控制。焦耳4, 1070-1086(2020)。

    文章谷歌学者

  59. 孙,R.等。基于多目标优化的有机太阳能电池逐层镀膜方法:合理控制垂直分层以获得高性能。能源环境。科学。12, 318 - 3132(2019)。

    文章谷歌学者

  60. 卢瑟拉,L.等。缩小hero太阳能电池和卷对卷打印模块之间效率差距的指南。能源抛光工艺。3., 373-384(2015)。

    文章谷歌学者

  61. 罗尔斯顿,N.等。钙钛矿太阳能组件的快速露天制造。焦耳4, 2675-2692(2020)。

    文章谷歌学者

  62. 崔,杨,等。超过16%的效率有机光伏电池启用氯化受体与增加的开路电压。Commun Nat。10, 2515(2019)。

    文章谷歌学者

  63. 杨,W.等。平衡有机太阳能电池的效率,稳定性和成本潜力通过一个新的优点数字。焦耳5, 1209-1230(2021)。

    文章谷歌学者

  64. 索菲亚,s.e.等人。美国薄膜串联太阳能组件的经济可行性。Nat。能源3., 387-394(2018)。

    文章谷歌学者

  65. 宋铮等。低成本材料和工艺制造钙钛矿太阳能组件的技术经济分析。能源环境。科学。10, 1297-1305(2017)。

    文章谷歌学者

  66. 鲍威尔,d.m.等人。光伏制造的资金强度:规模障碍与创新机会。能源环境。科学。8, 3395-3408(2015)。

    文章谷歌学者

  67. 鲍威尔,d.m.等人。晶体硅光伏:确定达到基本负载电力成本的技术途径的成本分析框架。能源环境。科学。5, 5874-5883(2012)。

    文章谷歌学者

  68. Ma, L.等人。完全非熔合电子受体与3d互渗晶体结构,使高效和稳定的有机太阳能电池。Commun Nat。12, 5093(2021)。

    文章谷歌学者

下载参考

确认

国家自然科学基金项目(资助号:52061135206、22279094)和中央高校基本科研业务费专项基金项目(资助人:J.M.)资助。我们感谢武汉大学核心设施提供的光学显微镜和AFM测量。

作者信息

作者和隶属关系

作者

贡献

R.S.和J.M.的构想。R.S.制作了所有的太阳能电池样品,进行了测量并进行了数据分析。tw和x.y对T8和PM6-Ir1材料的合成有贡献。Y. Wu对合成Y6和N3材料做出了贡献。王颖、M.Z.和Y.L.对进行TEM测量做出了贡献。R.S.和q.w有助于进行模块制作。R.S.和Y. Wu研究了技术经济分析。c.j.b.、R.S.和J.M.都参与了稿件的准备。R.S.构思并指导了这个项目,同时在J.M.的监督下,所有作者都对手稿进行了评论。

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相互竞争的利益

作者声明没有竞争利益。

同行评审

同行评审信息

自然能源感谢seokin Na, Leonard Ng和其他匿名审稿人对这项工作的同行评审的贡献。

额外的信息

出版商的注意施普林格自然对出版的地图和机构附属的管辖权要求保持中立。

补充信息

补充信息

补充方案1、图1 - 46、表1 - 40和注1 - 3。

报告总结

补充数据1

补充图1-46的统计源数据。

补充数据2

表1和表2的统计源数据。

源数据

图1 .数据来源

统计源数据。

图2 .数据来源

统计源数据。

图3 .数据来源

统计源数据。

图4 .源数据

统计源数据。

图5 .源数据

统计源数据。

图6 .源数据

统计源数据。

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孙锐,王涛,杨X。et al。用于有机太阳能电池制造的光活性层的高速顺序沉积。Nat能源(2022)。https://doi.org/10.1038/s41560-022-01140-4

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