探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇 054

潘力刚地产.激光.IT.AI医学

前世：

何以中国

今生：

读懂中国，认识中国，讲好中国故事，提高文化自信： 这就是中国

千里姻缘一线牵，公益相亲平台： 圆梦缘
科学、医学、人文、历史、文学、音乐、影视、摄影、数、理、化、计算机、人工智能、......： 仰望星空 文库
你在加拿大魁北克的家园： 蓬莱仙阁楼台 加拿大魁北克傍山依水家园 文库
赏心乐事谁家院： 好山好水好风光 文库
别时容易见时难： 千里江山 文库

千流归大海，高山入云端（数据总库）： 仰望星空脚踏实地 BECC CECC
勘、侃、龛、看人生： 圆桌派

逻辑思维

天命之谓性，率性之谓道，修道之谓教。

性自命出，命自天降。

命 性 仁 义 学 人

易

《仰望星空》文库 列表

探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇

054 图案化与集成：如何在一片基板上制作多个电池组件？ 2025-11-06

这是一个非常核心且实际的问题。在一片基板上制作多个有机光伏电池组件并进行集成，是实现器件实际应用（如为电子产品供电、构建光伏窗等）的关键步骤。

这个过程的核心思想是：通过特定的图案化技术，将连续的有机薄膜分割成一个个独立的电池，然后将这些电池以串联或并联的方式通过内部电极连接起来，从而在单片基板上形成一个功能完整的模块。

下面我们详细分解这个过程的步骤、关键技术和挑战。

整体流程概述

典型的制作流程可以概括为以下步骤：

基板准备与底层电极图案化

活性层与功能层沉积

中间层/连接层图案化

顶层电极图案化

封装与测试

其中最核心的挑战在于如何实现精确的、不损伤已有薄膜的图案化。
关键图案化技术与集成策略

有机光伏材料对溶剂、氧气和水汽敏感，因此不能简单地采用硅基太阳能电池的刻蚀工艺。目前主流的图案化技术有以下几种：

1. 机械刻划

这是实验室和小规模生产中最常用、最成熟的方法。

原理：使用锋利的针尖或刀片在薄膜上划出细小的、具有特定图案的沟槽，从而将薄膜分割开。

过程：
首先在覆盖了整个基板的底层电极（如ITO）上划出平行的线条，将其分割成多个条带。

然后，依次沉积空穴传输层、有机活性层、电子传输层。这些层通常是整体沉积，没有图案。

关键步骤：使用第二组刻划线，精确地划过上述所有层，但不能伤及底层电极。这组刻划线与第一组刻划线交错排列。

最后，沉积顶层电极（如金属银或铝）。顶层电极材料会填入第二组刻划出的沟槽中，与底层电极直接接触。

集成方式：通过这种方式，电池1的顶层电极通过沟槽与电池2的底层电极实现了连接，从而将多个子电池串联了起来。

优点：简单、快速、成本低，非常适合研发和原型制作。

缺点：存在对薄膜的机械损伤风险；刻划宽度（死区）较大，通常为几十到几百微米，降低了基板的有效利用面积；规模化生产的一致性控制有挑战。

2. 激光烧蚀/刻蚀

这是一种高精度、非接触式的图案化方法，更适合大规模生产。

原理：使用特定波长和能量的脉冲激光（如紫外激光）聚焦在薄膜表面，通过光热或光化学作用将照射区域的材料瞬间气化去除，形成清晰的图案。

过程：其流程与机械刻划类似，只是用激光扫描代替了物理刻划。同样可以采用“P1, P2, P3”三步法：

P1: 激光刻划，图案化底层电极。

P2: 在所有功能层沉积后，进行第二次激光刻划，露出底层电极。

P3: 在顶层电极沉积后，进行第三次激光刻划，将顶层电极分割开，从而分离出单个子电池。

优点：精度高（线宽可小于50µm）、非接触、无机械应力、易于自动化、一致性好。

缺点：设备成本高；需要精确控制激光参数以避免对下层材料或基板造成热损伤。

3. 掩模蒸发/选择性沉积

这种方法主要用于对溶剂敏感的材料，如某些小分子材料和金属电极。

原理：使用精密的金属掩模板，其上有设计好的镂空图案。将其紧贴基板，然后在真空腔体中蒸发材料，材料只能通过镂空区域沉积到基板上，直接形成图案。

应用：常用于制作顶层金属电极的图案。也可以用于沉积某些中间连接层。

优点：图案直接形成，无需后续刻蚀步骤，避免了溶剂对底层膜的损伤。

缺点：掩模板制作成本高，有使用寿命；对齐精度有限；难以用于大面积、高速生产。

4. 溶液处理图案化技术（前沿研究）

这些技术旨在实现更低成本、更大面积的图案化，是未来的发展方向。

喷墨打印：像打印机一样，将含有功能材料的“墨水”精确地打印在预定位置。可以实现任意图形，材料利用率高。

丝网印刷/凹版印刷：类似于印刷报纸，通过网版或印辊将材料转移到基板上。适合大面积、高速生产。

挑战：对墨水的流变学性质（粘度、表面张力等）要求极高；需要解决不同功能层墨水之间的互溶问题；图案分辨率目前低于激光方法。

5. 集成方式：串联 vs. 并联

通过上述图案化技术，可以实现两种主要的电气集成方式：

串联集成

描述：如上文机械刻划和激光刻蚀所描述的，将多个子电池首尾相连。

特点：

输出电压 = 所有子电池电压之和。

输出电流 ≈ 单个子电池的电流。

适用于需要高电压、低电流的应用，可以减少传输损耗。

这是有机光伏模块中最主流的集成方式。

并联集成

描述：将所有子电池的正极和负极分别连接在一起。

特点：

输出电流 = 所有子电池电流之和。

输出电压 ≈ 单个子电池的电压。

适用于需要高电流、低电压的应用。

实现方式通常是通过图案化顶层电极，使其以梳状交叉的方式与底层电极连接。

总结与挑战

在一片基板上制作多个有机光伏电池组件的核心在于 “图案化-沉积-再图案化” 的循环，关键在于实现子电池之间的低损耗、高可靠性内部连接。

主要挑战包括：

死区：图案化过程中产生的非活性区域。减小死区是提高模块有效面积和能量转换效率的关键。

对底层膜的损伤：在图案化上层时，必须保证不破坏下层的功能层和电极。

对齐精度：多次图案化步骤之间需要极高的对准精度。

连接电阻：子电池之间的连接点（如激光烧蚀出的接触点）会引入串联电阻，降低模块性能。

规模化与成本：将实验室技术转化为低成本、高产量的制造工艺。

目前，激光刻蚀（P1-P2-P3工艺） 是结合了精度和可制造性的最佳方案，而喷墨打印等全溶液处理技术则是未来实现超低成本、柔性、大面积OPV模块的潜力方向。