探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇 049

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探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇

049 喷墨打印：定制化、图案化OPV的梦想技术 2025-11-01

喷墨打印技术让定制化和图案化的有机光伏（OPV）器件离现实更近了一步。它作为一种数字化、非接触的图案化沉积技术，能精准控制墨滴沉积，非常适合在常温常压下，于柔性基底上制备精细、可定制的OPV图案，为可穿戴电子、建筑一体化光伏等场景带来了潜力。

下面这个表格，可以帮助你快速了解喷墨打印OPV的几个核心优势：

优势 说明
数字化图案加工 喷墨打印是一种数字化的图案化加工方法，无需传统光刻的掩膜板，能直接根据数字图案在柔性基底上印刷，便于快速原型设计和定制化生产。
高材料利用率 作为一种增材制造技术，喷墨打印按需滴注，材料浪费率极低，有助于降低昂贵有机半导体材料的成本。
适用于柔性设备 该技术可在常温常压下进行，兼容柔性的塑料基底（如PET），适合制备轻质、可弯曲、不易碎裂的OPV器件。


关键技术突破

喷墨打印OPV从实验室走向实用化，研究人员在克服其成膜难题上取得了显著进展：

调控活性层形貌是核心。OPV电池的活性层是给体（D）和受体（A）材料的共混薄膜，其纳米尺度的相分离形貌（给受体的分布、分子聚集程度）直接影响器件效率。喷墨打印的墨滴干燥过程相对缓慢，可能导致有机分子过度聚集或给受体分布不理想。

先进的打印策略优化形貌：

顺序喷墨印刷：中国科学院苏州纳米所的研究团队提出了先打印受体层，再打印给体层的分步策略。这种方法能诱导形成理想的垂直相分离结构（给体富集于阳极侧，受体富集于阴极侧），同时抑制过大的分子聚集，从而显著提升激子解离和电荷收集效率，使印刷的OPV电池效率超过13%，他们后续的工作将三元器件的效率进一步提升至15.78%。

复合溶剂策略：针对印刷过程中因溶剂挥发和给受体溶解性差异导致的"干燥线"相分离问题，引入高沸点辅助溶剂四氢萘（THN）。THN对给受体材料溶解性差异较小，能有效抑制"干燥线"现象，使薄膜组分分布更均匀，从而提升大面积器件的性能均匀性和效率（1 cm² 图案化器件认证效率达12.18%），并成功制备了25 cm²的大面积薄膜。


面临的挑战与应对

尽管喷墨打印OPV前景看好，但在走向大规模商业化过程中仍需应对一些挑战：

材料与工艺稳定性：有机光伏材料在长期光照、湿气和氧气作用下可能降解，影响器件寿命。需要通过材料创新（如开发更稳定的非富勒烯受体）、优化封装工艺来提升稳定性。

迈向大规模生产：从实验室的单一器件到大规模、高性能一致的模组是难点。需要开发适合大规模生产的工艺，如卷对卷（R2R）印刷技术
，并解决材料批次一致性和全过程质量控制问题。例如，追光科技已建设了全球首条650*550mm²有机光伏模组量产线"星河一号"，标志着OPV迈向量产的重要一步。

打印精度与分辨率：实现更高分辨率的图案化打印，需要优化墨滴成型、精准控制基底温度等打印参数。


应用前景

喷墨打印OPV的独特优势，使其在诸多新兴领域大有可为：

物联网（IoT）设备：可为大量分布式的低功耗物联网传感器提供电能，追光科技的"星河一号"量产线就主要面向物联网、智慧家居等室内场景的模组产品量产。

可穿戴电子：OPV器件轻质、柔性的特点，结合喷墨打印的图案化能力，非常适合集成到衣物或配件中，为可穿戴设备供电。

建筑光伏一体化（BIPV）：利用喷墨打印可以制备半透明、且颜色图案可调的OPV器件，可用于建筑的窗户、外墙或隔断，在采光的同时发电。密歇根大学Stephen R. Forrest团队就通过多级剥离图案化方法，制备了中性色的半透明OPV模块。