探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇 047

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探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇

047 旋涂法：实验室研究的黄金标准 2025-10-30

在有机光伏（OPV）的实验室研究中，旋涂法是目前广泛采用的薄膜制备工艺，它尤其适合制备高质量、高性能的有机光伏器件原型，帮助研究人员筛选材料、优化配方和探究机理。

下面这个表格梳理了旋涂法作为实验室研究“黄金标准”的主要原因、关键考量以及其局限性：

方面 具体说明
主要优势

成膜质量高 能通过精确控制参数（如转速、时间）在平整基底（如ITO玻璃）上制备出均匀、无缺陷、厚度可控（通常在几十到几百纳米） 的活性层薄膜，这对于器件性能至关重要。
工艺灵活性 易于在惰性气体保护的手套箱中操作，方便研究不同溶液浓度、溶剂比例、退火温度/时间等对薄膜形貌和器件性能的影响。
材料利用率尚可 对于小面积实验室器件（通常<1 cm²），相对其他一些方法，材料浪费在可接受范围，适合进行前期材料筛选和研究。

关键工艺考量
溶液性质 需要优化活性层材料（如给体聚合物P3HT和受体PCBM）在溶剂（如氯仿、氯苯）中的浓度、配比和溶解度，以获得适合旋涂的溶液。
工艺参数 转速和时间直接决定薄膜厚度和均匀性；退火温度和时间则影响活性层材料的相分离形貌和结晶性，从而影响最终的光电转换效率。
环境控制 整个旋涂及后续处理过程通常在惰性气体环境（如氮气、氩气） 中进行，以隔绝对有机材料有害的水分和氧气。

主要局限性
难以放大生产 实验室旋涂设备（如SUSS的LabSpin系列）主要针对小尺寸基板。在大面积基板上旋涂时，薄膜均匀性、厚度控制、材料利用率及生产效率方面面临巨大挑战，难以满足工业化需求。
材料浪费 旋涂过程中，大部分溶液会被甩离基板。虽然在小规模研发中尚可接受，但在大规模生产中将导致成本急剧上升。

超越旋涂法
鉴于旋涂法的这些局限性，产业界和研发领域也在积极探索其他更适合大规模生产的沉积技术：

刮刀涂布法：类似印刷业的涂布工艺，更适合大面积制备，且材料利用率高于旋涂。

喷墨打印：一种无接触、数字化的图案化沉积技术，能实现高精度定位和按需滴液，材料浪费极少，尤其适合制备柔性、可定制的有机光伏器件。

狭缝挤出涂布：目前被认为最具产业化潜力的溶液法工艺之一，能够高速、连续地在柔性卷材上制备大面积均匀薄膜，材料利用率高。

这些方法虽然在实验室研发阶段的使用不如旋涂法普遍，但在推动有机光伏从实验室走向实际应用和产业化的过程中至关重要。


旋涂法凭借其在小面积、高均匀性、参数灵活可控方面的优势，在有机光伏实验室研究阶段的作用目前仍难以被完全取代。不过，它主要服务于前期的基础研究和材料开发。当研究成果需要迈向更广阔的应用天地时，就必须考虑转向刮刀涂布、喷墨打印等更具规模化潜力的技术。