《自然·能源》发表武汉大学闵杰教授课题组最新研究成果

10月27日，《自然·能源》（Nature Energy）在线发表了武汉大学高等研究院教授闵杰课题组最新研究成果。该研究提供了设计活性层材料与调控活性层形貌的理性认识，揭示了传统活性层涂膜工艺的缺陷，发现了逐层涂膜工艺能够实现活性层的高速涂覆并保持其高性能，研究成果代表着向高性能器件和组件的高速、可扩展、低成本制造迈出的重要一步。

论文题为“High-Speed Sequential Deposition of Photoactive Layer for Organic Solar Cell Manufacturing Process”（《有机太阳能电池光活性层的高速顺序沉积》）。高等研究院博士研究生孙瑞为第一作者，闵杰为通讯作者，高等研究院为第一署名/唯一通讯单位。

有机太阳能电池（OSCs）作为下一代光伏技术，在过去的二十年中引起了广泛关注。得益于光伏材料的快速发展以及对形貌控制、界面和器件工程的深入了解，单结OSCs可以获得19%以上的能量转换效率（PCE）。尽管OSCs在实验室规模的器件效率和稳定性方面取得了巨大成功，同时在低成本的材料和器件设计与开发方面进展显著，但对OSC器件高通量制备解决方案的迫切需求仍未得到解决，也很少报道。众所周知，要实现有机太阳电池商业化，必须同时考虑PCE、稳定性和成本的黄金三角关系。但是，除了上述参数外，器件的高通量制备也反映新兴光伏技术的应用潜力。

闵杰课题组以设计的聚合物：非富勒烯小分子光伏体系PM6:T8为活性层材料，通过引入可扩展的刮涂涂布（Doctor blade，DB）和狭缝涂布（Slot-die coating，SDC）技术并采用逐层涂覆策略逐层（Layer-by-layer, LbL），实现了PM6:T8活性层的高速制备，并保持其出色的器件性能。相比之下，采用传统给受体材料共混涂覆工艺（bulk heterojunction, BHJ）在高速刮涂情况下会导致活性层产生严重的相分离并形成巨大的粗糙度，从而导致器件性能急剧下降。


图1（a）联动型逐层狭缝涂布仪示意图；（b）狭缝涂布法制备的BHJ和LbL大面积器件及组件的性能变化

课题组首先利用LbL刮涂技术实现了PM6:T8体系活性层高速涂覆，并通过不同溶剂和其他5种非富勒烯光伏体系的引入，进一步验证了该刮涂工艺的通用性。作为概念论证，闵杰课题组设计开发了用于大面积器件和组件制备的联动型逐层狭缝涂布仪器，图1a所示。通过平衡流速、基板温度、溶液浓度和涂布速度等加工参数，实现了PM6:T8活性层在不同涂布速度下的高性能器件和组件制备（面积分别为1.0 和7.5 cm2）。相比于BHJ狭缝涂布（BHJ-SDC），高速情况下LbL狭缝涂布（LbL-SDC）更能保持PM6:T8体系的最优性能（图1b），该结果也验证了上述LbL刮涂工艺的实验数据。

另外，采用自下而上的制造成本模型，闵杰课题组进一步对BHJ和LbL工艺进行了技术经济效益分析。LbL高通量制备技术可以显著降低工业生产过程中光伏组件制造的最低可持续价格（MSP）；与生产线速度为2.1 m/min的传统BHJ工艺相比，线速度为30.0 m/min的高速LbL技术可以大大降低MSP值（从7.72到0.32 $/Wp，差值为7.40 $/Wp）。

该研究得到了国家自然科学基金委、中央高校基本科研业务费和武汉大学科研公共服务条件平台的支持，并获得中国科学院院士李永舫、德国埃尔朗根纽伦堡大学Christoph J. Brabec教授以及苏州大学张茂杰教授等合作者的帮助。

论文连接：https://www.nature.com/articles/s41560-022-01140-4