探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇 51

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探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇

051 真空蒸镀 vs. 溶液加工：小分子OPV的两种制备路径 2025-11-03

这是一个非常核心且专业的话题。有机光伏（OPV）领域中，小分子材料因其结构明确、纯度高、性能稳定等优点而备受关注。对于小分子OPV器件的制备，真空蒸镀和溶液加工是两条最主要的技术路径，它们各有优劣，分别适用于不同的材料体系和应用场景。

下面我们将对这两种制备路径进行详细的比较。

一、真空蒸镀

真空蒸镀是早期制备小分子OPV器件（尤其是叠层器件）的主流方法。

1. 工艺过程
在高度真空（通常低于10⁻⁴ Pa）的环境中，将高纯度的有机小分子材料置于蒸发舟中，通过加热使其升华或蒸发，气态的分子然后均匀地沉积在冷却的基底上，形成一层平整、致密的薄膜。

2. 核心优势
高纯度薄膜：真空环境避免了氧气和水分对活性层材料的氧化和猝灭，能制备出纯度极高、缺陷少的薄膜。

精确可控：可以精确控制蒸发速率和薄膜厚度（可精确到埃米级别），尤其适合制备超薄层和多层结构。

优异的形貌控制：形成的薄膜非常均匀、平整，没有溶液法常见的相分离问题，器件性能重现性好。

易于制备多层和叠层结构：这是其最大优势之一。可以依次蒸镀不同的给体和受体材料，形成平面异质结或级联结构；也可以轻松制备复杂的叠层电池，将不同吸收光谱的子电池串联起来，有效拓宽光吸收范围并减少能量损失。

材料普适性广：对材料的溶解性没有要求，许多高性能但难溶的小分子材料只能通过蒸镀来加工。

3. 主要劣势

成本高昂：需要昂贵的真空设备，维护成本高。

材料利用率低：蒸镀过程中，大部分材料会沉积在腔室壁和其他部件上，材料利用率通常低于20%，对于昂贵的有机材料来说，这是巨大的浪费。

难以大面积制备：虽然可以实现，但大面积均匀蒸镀的技术难度和成本都非常高。

与柔性卷对卷工艺兼容性差：真空环境不适合连续、高速的卷对卷生产。


二、溶液加工

随着可溶液处理的小分子材料的开发，溶液加工路径因其低成本潜力而迅速发展。

1. 工艺过程

将小分子材料溶解在合适的有机溶剂中，配制成“墨水”，然后通过旋涂、刮涂、喷墨打印等涂布技术，在基底上成膜。随着溶剂挥发，给体和受体材料自组装形成具有纳米尺度相分离的体异质结结构。

2. 核心优势

低成本：设备投资和运营成本远低于真空蒸镀。

高材料利用率：理论上，几乎所有配制的“墨水”都能被用于成膜，材料利用率可高达90%以上。

兼容大面积和柔性生产：非常适合旋涂、刮涂、喷墨打印等工艺，与未来的卷对卷大规模生产技术完美兼容。

可形成理想的体异质结：通过调控“墨水”配方和工艺，可以形成互穿网络的体异质结，提供巨大的给体/受体界面面积，有利于激子分离。

3. 主要劣势

材料设计挑战大：需要小分子材料同时具备良好的光电性能和足够的溶解性，这通常需要在分子结构中引入柔性侧链，但有时会牺牲其结晶性和电荷传输能力。

形貌控制复杂：薄膜形貌强烈依赖于溶剂选择、添加剂、退火条件等后处理工艺，过程复杂且难以精确控制，可能导致批次间的性能差异。

多层加工困难：在已沉积的有机层上再次涂布溶液时，容易溶解或破坏下层，给制备高性能的多层器件（如叠层电池）带来巨大挑战。

溶剂的环境与健康隐患：通常需要使用有毒的卤化溶剂（如氯苯、邻二氯苯），对环境和操作人员不友好。


三、直接对比表格

特性 真空蒸镀 溶液加工
成本 高（设备、维护、材料浪费） 低（设备简单、材料利用率高）
薄膜质量 高纯度、致密、均匀、重现性好 依赖工艺，可能产生针孔，重现性稍差
形貌控制 精确、主动，易于实现平面异质结 复杂、被动，依赖于自组装，但易于形成体异质结
材料要求 热稳定性好，无需溶解 必须有良好的溶解性
材料利用率 低（<20%） 高（>90%）
大面积/柔性生产 困难，成本高 易于实现，兼容卷对卷工艺
多层/叠层器件 极易实现，是当前主流方法 困难，需要正交溶剂等复杂策略
环境影响 真空环境，污染小 使用有机溶剂，有环保压力


四、发展趋势与融合

目前，这两种技术路径并非简单的替代关系，而是在不同的赛道上发展，并出现相互融合的趋势：

蒸镀路线：继续在高性能、特别是叠层器件的研究中占据统治地位。实验室报道的最高效率的小分子OPV纪录很多都来自于蒸镀法制备的叠层器件。它代表了OPV性能的“天花板”。

溶液路线：是实现低成本、大面积、柔性OPV应用的主要希望所在。研究方向集中在开发环境友好的“绿色溶剂”、优化成膜工艺以实现稳定的纳米尺度相分离，以及设计合成兼具高溶解性和高性能的新型小分子材料。

混合工艺：一种折衷的方案是采用溶液加工给体，真空蒸镀受体，或者反过来。这结合了溶液法的低成本（用于厚层）和蒸镀法的精确控制（用于薄层或特定功能层），为器件结构设计提供了更大的灵活性。

总结

选择真空蒸镀，是为了追求极致的性能和复杂的器件结构（如叠层电池），通常见于前沿实验室研究和某些对性能要求极高的特殊领域。

选择溶液加工，是为了低成本和大规模工业化应用的最终目标，是OPV走向市场化的必由之路。

两者共同推动了小分子OPV技术的不断发展，未来很可能长期并存，服务于不同的应用需求。