探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇 053

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探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇

053 层叠结构的精确堆叠：多层溶液加工技术的挑战 2025-11-05

有机光伏（OPV）的层叠结构，特别是叠层电池，通过堆叠多个具有不同吸收谱的子电池，能更充分地利用太阳光谱，从而突破单结电池的效率瓶颈。要实现这种结构，溶液加工技术因其在降低制程成本和实现大面积生产方面的潜力而备受关注，但要在纳米尺度上实现多层结构的精确堆叠，确实面临诸多挑战。

下面这个表格，帮你快速了解多层溶液加工技术的主要挑战：

挑战维度 核心问题 对器件性能的影响
界面工程 溶液法制备多层时，上层溶液的溶剂会侵蚀下层已沉积的薄膜，导致界面混溶与破坏。 界面缺陷增多，载流子复合加剧，开路电压和填充因子下降；严重时导致器件完全失效。
膜层质量控制 难以通过溶液法获得超薄、无缺陷、高结晶度且大面积均匀的活性层与中间层。 活性层厚度和形貌失控，影响光吸收和载流子生成；中间层不完善导致串联电阻增大或子电池间短路。
材料与工艺匹配 多层结构要求各层材料（活性层、中间层、电极）在能级、光学性质、以及溶液加工性上协同匹配。 工艺窗口狭窄，可重复性差；制约层叠结构设计，影响最终器件的效率与稳定性。
大面积加工与精度 将实验室的旋涂技术转向大面积涂布（如喷墨打印、狭缝涂布） 时，保持多层堆叠的精度和均匀性难度大。 膜厚和形貌均匀性难以保证，易出现缺陷；制约从实验室小面积器件到大规模生产的转化。

应对挑战的策略
面对上述挑战，研究人员正在积极寻找解决方案：

正交溶剂策略
这是解决界面侵蚀最常用的方法。即选择一种溶剂，它能溶解即将沉积的层材料，但对下层薄膜几乎不溶解。通过精心挑选溶剂-材料组合，可以实现下层薄膜“毫发无伤”。例如，先用水溶液加工一层，再用有机溶剂加工上层，利用水油不相溶原理。专利CN113782682A也提到了通过图案化蚀刻（包括化学蚀刻和激光蚀刻）来定义和隔离不同功能区，这有助于在制备过程中保护已形成的结构。

界面层与交联策略
在下层薄膜表面引入缓冲层，或者使下层薄膜材料在沉积后发生交联反应形成不溶的网状结构，从而一劳永逸地抵抗上层溶剂的侵蚀。例如，专利CN102947967A涉及通过在电活性层中引入具有垂直偏析特性的材料（如P3HT和PCBM的混合物），或使用氧化锌、二氧化钛等金属氧化物作为连接层或功能层，这些材料通常具有良好的溶液加工性和稳定性。

新型材料与工艺创新
中间层优化：叠层电池的中间连接层至关重要。研究者致力于开发能通过溶液法加工、同时具备优良导电性和光学透明性的中间层材料，如金属氧化物（氧化锌、氧化钛） 和导电聚合物（PEDOT:PSS） 等。专利CN102947967A就提到了使用氧化锌、二氧化钛等作为功能层。

三元策略：在活性层中引入第三种组分（例如在给体/受体体系中加入另一种受体或给体），可以优化膜的光谱响应和形貌。有综述指出，通过三元共混可以调整吸收光谱、提高相纯度并优化活性层形态，这有助于在较宽的膜厚范围内保持性能，降低加工难度。

气相沉积辅助：对于溶液法难以制备的薄层或易受侵蚀的层，可结合气相沉积（VPD） 技术。例如，南京大学余林蔚教授课题组在制备钙钛矿叠层结构时，采用了物理化学气相沉积技术，实现了混合阳离子掺杂和能带渐变的钙钛矿薄膜，有效提高了器件的效率和稳定性。这是一种非溶液法的补充路径。

精密调控与在线监测
开发新的溶液成膜方法，如溶剂蒸汽退火、刮刀涂布等，可以更好地控制晶体生长和薄膜形貌。同时，结合实时在线监测与反馈系统，能够对大面积的涂布过程进行精确控制，确保每一层膜的质量。


总体而言，有机光伏层叠结构的溶液法精确堆叠，是一项涉及材料、工艺、设备多方协同的复杂系统工程。尽管挑战巨大，但通过正交溶剂、界面修饰、材料创新以及工艺优化等多种手段的综合运用，这一技术路径正不断取得突破。未来，随着新型功能材料（如稳定性更好的非富勒烯受体）、更精细的打印技术以及人工智能驱动的工艺控制等技术的发展，溶液加工层叠有机光伏有望在实现高效率的同时，兼顾低成本和大规模生产，为有机光伏的商业化应用开辟更广阔的前景。