苏州纳米所马昌期团队在喷墨印刷制备高性能有机光伏电池方面取得新进展

有机太阳能电池具有轻质、可半透明化以及可溶液法制备的优点。目前基于新型电子受体材料的有机太阳能电池器件效率已经取得了较大突破，但器件有效面积小，制备工艺难以工业化拓展，距离实际应用有较大差距。喷墨印刷作为一种数字化增材制造工艺，在工业化制备有机太阳能电池显示出较大的应用潜力。而在喷墨印刷制备有机光伏电池中，对于薄膜微观形貌的调控和器件光伏性能之间的构效关系目前缺乏深入研究。

近年来，中国科学院苏州纳米所马昌期、骆群研究员就喷墨印刷有机光伏活性层微观相形貌调节开展系统研究。前期研究发现喷墨印刷制备的有机活性层在薄膜垂直方向上呈现出给体和受体体相均匀分布和在薄膜水平方向上沿印刷线交叉分布的特点，与理想薄膜形貌相比表现出相反的形貌特征。研究团队利用先受体后给体的分步喷墨印刷策略来解决上述问题。相比于一步法印刷制备的薄膜，分步喷墨印刷的薄膜表现出了理想的垂直相分离结构，同时也具有较小尺度的分子聚集，使得有机光活性层具备高效的激子解离、电荷传输特性的同时，也具有高的载流子收集效率，进而制备的器件性能到达了当前文献报道的最高值（Adv. Energy Mater. 2022, 12, 2200044）。

 图1. 喷墨印刷有机活性层给受体反常分布及分布印刷策略

近期，研究团队发现印刷的薄膜显示出温度依赖的“干燥线相关”相分离形貌和组分变化，这导致了电流分布不均匀性。结合喷墨印刷成膜方式以及对电子给、受体分子在印刷主溶剂中溶解性的分析，研究团队认为造成相分离差异的原因是再溶解过程中给受体的溶解性差异。基于此，研究团队引入了一种用于喷墨打印的复合溶剂策略。四氢萘（THN）具有更高的沸点，同时对给受体材料的溶解性差异较小。为此，THN引入使得高温印刷条件下印刷干燥线现象得到抑制，同时对薄膜的聚集尺寸没有显著影响。在此基础上，将二元、三元器件的光电转换效率分别提高到13.96%和15.78%。此外，具有图案的1 cm²器件的效率为12.80%，认证效率为12.18%。这种基于四氢萘作为辅助溶剂的策略同时证明在其他溶剂体系具有很好的通用性，并且成功制备了25 cm²的大面积印刷薄膜。相关研究成果近期以Elimination of Drying-Dependent Component Deviation Using a Composite Solvent Strategy Enables High-Performance Inkjet-Printed Organic Solar Cells with Efficiency Approaching 16%为题发表于Advanced Functional Materials。中国科学院苏州纳米所博士生桑立风是该论文的第一作者，中国科学院苏州纳米所骆群研究员为通讯作者。

图2. 使用复合溶剂策略调控喷墨印刷过程中的组分分布实现高效印刷太阳能电池

基于喷墨印刷在制备有机和钙钛矿太阳能电池上具备可观的应用前景。研究团队系统总结了近年来喷墨印刷制备有机和钙钛矿太阳能电池的电极、界面传输层和光活性层等的研究进展，解析喷墨印刷技术在有机以及钙钛矿太阳能制备过程中的难点，为实现喷墨印刷技术制备薄膜太阳能电池提供参考。相关成果以Inkjet-Printed Organic Solar Cells and Perovskite Solar Cells: Progress, Challenges, and Prospect发表在Chinese Journal of Polymer Sciences上。中国科学院苏州纳米所博士生陈兴泽是该论文的第一作者，中国科学院苏州纳米所骆群研究员和马昌期研究员为通讯作者。

图3. 喷墨印刷薄膜太阳能电池组分调控

上述工作得到了国家自然科学基金，中国科学院青促会，中国科学院CAS-CSIRO联合项目以及中国科学院苏州纳米所纳米真空互联实验站的支持。