有机光伏电池（OSCs）以其轻薄、柔性、可印刷等优势，在过去几年中吸引了广泛的关注，被认为是下一代光伏技术的理想选择。然而，OPVs 的效率和稳定性仍然落后于传统硅太阳能电池。
实现低成本和印刷友好的 OSCs 制备，需要采用具有简单结构的光活性分子的厚膜器件。因此，对于非稠合环受体材料，如何在较厚的器件中实现高能量转换效率 (PCE)，具有重大意义。
香港理工大学李刚教授团队近期取得重大突破，他们利用顺序沉积 (SD) 方法，成功将 D18:A4T-16 有机活性层的效率从传统的混合浇注方法的 8.02% 提升至 14.75%，该器件厚度达到 300 纳米。 这一研究成果发表在国际顶尖期刊《Advanced Energy Materials》上。
【突破的关键：顺序沉积 (SD) 方法】
传统的混合浇注方法，将供体材料和受体材料溶解在一起，然后通过旋涂的方式制备活性层。这种方法会导致材料混合不均匀，形成无序的分子堆积，进而影响器件的效率。
李刚教授团队创新性地採用了顺序沉积 (SD) 方法。该方法首先将供体材料 (D18) 沉积在基底上，形成一层薄膜，然后在上面沉积受体材料 (A4T-16)，最终形成具有良好分子排列的活性层。
SD 方法的优势：
l 有效促进供体和受体材料的互穿，改善形貌控制： SD 方法可以有效促进供体和受体材料的互穿，形成更理想的相分离结构，有利于激子的解离和电荷传输。
l 实现垂直分层结构： SD 方法可以实现供体材料和受体材料的垂直分层结构，这不仅有利于电荷的收集和传输，通过控制每一层的沉积，可以减少界面处的缺陷和不稳定因素，可提高器件的稳定性。
l 提高光电转换效率：顺序沉积方法能够更好地控制有机层的厚度和形貌，从而优化光的吸收和电荷的传输路径。通过精确控制活性层材料的沉积，能够有效减少载流子的复合，提升光电转换效率。
l 材料选择的灵活性：顺序沉积允许使用不同溶剂和温度条件，因而可以选择更多样化的材料组合。这使得研究人员能够尝试不同的材料体系，从而找到最佳的组合来提升电池性能。
l 便于规模化生产：该方法相较于传统的湿法涂覆技术，更加适合于大面积均匀膜的制备，有利于有机太阳能电池的规模化生产。这对于实际应用中的生产成本控制和工艺一致性具有重要意义。
【Enlitech 设备的重要性】
光焱科技 (Enlitech) 的 SS-X 太阳光模拟器和 QE-R 光伏/太阳能电池量子效率量测方案在该研究中发挥了关键作用。
i. SS-X50 的高精度模拟太阳光谱，为研究人员提供了真实的测试环境，确保测试结果的可靠性。
ii. QE-R 则可以帮助研究人员分析不同波长下器件的光电转换效率，从而优化器件结构和材料选择。
【突破性的成果】
i. 采用 SD 方法制备的 D18:A4T-16 器件，在 300 纳米、500 纳米和 800 纳米厚度下都展现出 FoM-X 值，这表明该器件在较大厚度下也能保持良好的性能。
ii. 研究团队定义了一个新的指标来强调厚膜器件的性能，称为 "FoM-X"。该指标可以更好地评估非稠合环受体材料在厚膜器件中的性能，为该领域的研究提供了新的评价标准。
【未来展望】
钙钛矿太阳能电池（PSCs）和有机太阳能电池（OSCs）各有优势和不足。PSCs具有较高的光电转换效率，但面临稳定性和环保方面的挑战；OSCs的制备简单、成本低、环保性好，在空气中的操作稳定性较好，但效率较PSCs略低。未来的研究和发展将继续在提高效率、稳定性和降低成本方面进行优化。
透过几个面向来观察未来可发展的优化模式:
i. 开发新型材料: 于新型受体及高性能给体材料，从而提高光电转换效率和更好稳定性。
ii. 界面工程: 修饰界面层来减少界面处的缺陷和非辐射复合外，开发新的界面层材料，改善电荷传输和减少能量损失。
iii. 优化制备工艺: 如李刚教授团队的突破性顺序沉积改进研究成果，並為其大面積化和穩定性提升提供了有效策略。持续改进顺序沉积工艺，如沉积条件、溶剂选择、层厚控制等，以实现更好的形貌和性能。
iv. 封装和稳定性: 开发更有效的封装技术，防止水氧侵入，提高器件的长期稳定性;及抗环境稳定性材料，延长有机太阳能电池的使用寿命。
v. 多层结构设计: 通过不同层的材料组合，进一步提升光吸收和电荷分离效率。另外，渐变结构，实现更有效的光捕获和电荷传输。
vi. 结合智能化制造技术: 利用喷墨打印、刮刀涂布等先进制造技术，降低生产成本并提升制造精度。运用机器学习和人工智能技术，优化材料组合、工艺参数和器件设计。
【图文解读】
Figure 3. 光伏效能:通过混合铸造和 SD 工艺处理的 D18:A4T-16 系统的器件参数变化。
Table 1. 器件效能
。
Figure 6. a) eC9 的化学结构。 b) J-V 曲线和 c) 基于 D18:A4T-16 和 D18:eC9 的 SD 型器件的 EQE 光谱。
原文出处: ADVANCED ENERGY MATERIALS
