Joule：大佬云集！浅谈协调学术界和工半岛体育官方网站业界的有机光伏研究和开发

　　半岛体育官方网站半岛体育官方网站Eva M. Herzig是拜罗伊特大学物理研究所的教授。她在爱丁堡大学（英国）获得博士学位，并在工业界从事可再生能源工作，并在慕尼黑工业大学（德国）担任博士后。她的团队专注于通过加工和薄膜表征来控制纳米结构，应用时间分辨的多模态测量方法在纳米尺度上解析结构，目前专注于有机和混合能源材料。

　　高峰是瑞典林雪平大学的教授和瓦伦堡学者。他于2011年在英国剑桥大学获得博士学位，随后在林雪平大学获得玛丽·斯克沃多夫斯卡-居里博士后奖学金。他的团队目前专注于溶液处理能源材料和器件的研究，主要基于有机半导体和金属卤化物钙钛矿。

　　Jonas Bergqvist是Epishine AB的首席技术官。他拥有瑞典林雪平大学应用物理学硕士学位和生物分子和有机电子学博士学位。Jonas 在有机太阳能电池领域拥有 15 年的经验，是 Epishine AB 的联合创始人之一，在那里他领导用于室内应用的印刷有机太阳能电池的卷对卷制造技术开发。

　　Maria A. Loi是荷兰格罗宁根大学Zernike先进材料研究所的教授。她于2001年在意大利卡利亚里大学获得物理学博士学位。她曾在奥地利林茨的约翰内斯·开普勒大学和意大利博洛尼亚的国家研究委员会担任博士后研究员。她于 2006 年加入格罗宁根大学，成为罗莎琳德·富兰克林研究员，并于 2014 年成为该大学的全职教授。她专注于非常规半导体的光物理学研究及其在光电器件中的应用。

　　Sebastian B. Meier 是 ASCA GmbH & Co. KG 的 OPV 技术和制造总监。他拥有德国埃尔朗根-纽伦堡弗里德里希-亚历山大大学的材料科学文凭和工程博士学位。他在有机和印刷电子领域拥有 15 年的工业经验，是公认的国际期刊上众多科学出版物的作者和合著者，并在有机发光器件和太阳能电池领域拥有专利。

　　有机光伏 （OPV） 是一种灵活轻便的薄膜器件，可将光转化为电能，并可以进行溶液处理。这种器件由两个电极和额外的功能阻隔层组成，中间夹着一个光转换层。每一层都非常薄，范围从几十纳米到几微米不等。从光到电流的转换过程发生在所谓的有源层，即 OPV 设备的中心层。使用专门设计的有机分子，无论是聚合物、低聚物、小分子、富勒烯还是其混合物，即碳基有机半导体，就是这些器件的名称。为了有效地产生电流，活性层中通常需要两种类型的材料，即电子给体和电子受体材料。轻量级、机械柔韧性和化学可调谐的设备的前景可以简单地使用打印技术制造，这导致了对溶液处理的 OPV 的深入研究活动，并在过去 20 年中建立了印刷 OPV 行业。社会对OPV技术准备程度的认识仍然很低，而硅太阳能电池是我们所有人都熟悉的，是我们可再生能源部门的重要组成部分。硅基器件的发展始于上世纪50年代初，现在已经达到了非常高的技术成熟度，在工业规模上，功率转换效率（PCE）超过20%。特别是硅基太阳能电池的工业加工在性能和成本方面已经成功优化。硅太阳能电池行业与OPV行业有着本质的不同。OPV行业有更广泛的材料可供选择，在形状和定制方面也有更高的自由度。虽然硅行业有明确定义的产品测试标准协议，但 OPV 处理中的高度可定制性为每个单独的产品产生了一组不同的目标柱需求。

　　虽然目前小型基站的学术实验室记录超过19%，工业中的组件效率仍然明显较低。就在最近，组件创下了14.46%的新纪录实现了，但仍使用蒸发电极并印刷在玻璃基板上。目前，OPV不被认为是传统光伏（PV）的替代品（例如，用于屋顶安装和太阳能农场），但将解决许多传统光伏无法轻松服务的新兴应用领域（例如，建筑集成、离网消费电子、物联网（IoT）、室内应用、农业光伏）。OPV设备可以使用蒸发或溶液处理来制造。然而，在这篇评论中，我们只关注溶液处理，因为公司和大多数研究小组通常都拥有这样或那样的专业知识。

　　学术研究成功地推动了 OPV 的进展，尤其是自 2000 年代初以来。PCEs最初专注于均聚物和富勒烯，通过提高对光吸收和电荷传输的理解、相关材料纳米形态的重要性，以及能量调谐夹层的优势和优化总体加工，不断增强PCEs。在过去十年中，供体-受体聚合物和非富勒烯受体（NFA）的出现为实现实验室的高效率做出了重大贡献。在学术研究中，研究了通常只能少量获得的新合成材料。因此，设备建立在非常小的平方毫米尺度上，以便在标准实验室基板 （∼2 cm × 2 cm） 上安装多个设备，以便对不同的处理协议进行充分的统计和测试。由于厚度变化是器件性能的决定性参数，因此在大多数情况下，实验室研究都集中在旋涂薄膜上。旋涂涂层以其可靠的薄膜加工而闻名，在厚度均匀性以及厚度的可重复选择方面。在手套箱环境中工作以减少氧气和水的掺入可提高设备的稳定性和性能，而阻塞层的真空沉积已被证明可以进一步改善 PCE。为了获得与基本理解相关的许多测量的光物理过程和结构信息，平面和刚性玻璃基板是合适的，可以避免某些测量中不需要的背景信号。

　　在取得这些学术成就的同时，OPV设备的产业化升级和项目化工作推动的市场机会也取得了稳步进展。各种形状和尺寸的OPV产品都可用于工业领域（图1）和私人客户，其应用程序组合稳步增长。市场上现有的解决方案印刷产品是卷对卷 （R2R） 处理的柔性太阳能电池。在工业中，用于制造的材料需要大规模生产，并从溶液转移到载体基板上，所有必要的 R2R 沉积步骤都是完全自动化的，并在环境气氛下进行。从透明电极膜开始，所有后续层都由良性溶剂制成的溶液相互叠加沉积。包括封装在内的所有进一步处理都集成到 R2R 工艺中，基于印刷和层压行业现成的专有技术和知识产权 （IP），实现快速可靠的处理。工业的主要目标是拥有一个简单、可靠、具有成本效益和可重复的制造过程。因此，最大化PCE并不一定是制造成功产品的主要参数。现在有几家公司，如ASCA、Epishine、OET和SUNEW，拥有每年数十万个模块的溶液处理OPV设备的生产能力。

　　虽然OPV技术在很大程度上仍然通过创纪录的实验室电池和工业制造的大面积模块之间存在明显的PCE差距来判断，但这样的基准对于OPV来说不如对传统太阳能电池有意义。原因是，与制造R2R规模模块的要求相比，用于制备实验室单元的加工条件和设备组件通常完全不同。虽然在晶体硅技术中，优化主要是在单一材料系统上完成的，但 OPV 的化学差异材料存在极其广泛的变化。PCE的一个重大差距源于这样一个事实，即记录实验室单元PCE是用尚未或根本不适合工业溶液处理的材料获得的，而是通过不可扩展或成本密集型的方法进行加工的。突出的例子是 （1） 导电玻璃比柔韧的导电聚对苯二甲酸乙二醇酯 （PET） 具有更高的透射率，（2） 真空沉积金属电极，充当镜子反射入射光，使电荷载流子产生的机会增加一倍，以及 （3） 真空沉积电荷传输层以保证最佳能级对准。此外，另一个引人注目的效果来自实验室中常见的非常小的电池尺寸，通常只有几平方毫米的尺寸，这掩盖了透明底部电极的电导率限制，透明底部电极通常基于铟锡氧化物（ITO）。最后但并非最不重要的一点是，由于设备封装，固有的传输损耗会影响从实验室到工业制造模块的PCE，这是保证耐用性所必需的。需要注意的是，考虑到上述限制，当将设备区域从实验室的模块规模升级到R2R生产规模（即，升级到用于商业目的的制造环境）时，实际上几乎没有性能损失，如图2以及 Adel 等人。目前，工业界不再从学术出版物中寻找新材料，而是依赖工业供应商。原因不仅仅是规模——当然，材料需要具有成本效益的可扩展性——而且在学术出版物中，通常使用工业上不合适的溶剂，设备是在惰性气氛中制备的，或者使用不可扩展的处理技术制备，并且没有报道稳定性和可重复性。因此，投入工作量和风险太大，无法转移到工业环境中。本评论旨在提高人们对工业OPV制造的特定边界条件的认识，并为学术研究提供指导，旨在有效地促进对工业部门产生潜在影响的技术发展。虽然学术研究的任务是揭示基本过程，但OPV行业的任务是开发成功的产品。挑战在于两个学科之间如何有效地进行沟通，以传递相关信息。为了支持这一过程，我们总结了溶液处理的OPV的当前工业处理条件以及与工业决策相关的简单测试协议。报告此类与工业相关的测试将增加将学术成果转移到工业环境的可能性。随着新材料的出现和学术界的研究成果的出现，学术界和工业界共同努力实现共同目标，即在工业规模上提供高效、稳定的OPV模块，即在制造业中考虑到工业相关的边界条件，将非常有益。

　　R2R涂布和印刷是OPV模块工业化大规模制造的成功方法。虽然学术研究很难与大规模处理紧密合作，但我们想指出，在从实验室扩大到R2R规模时，哪些关键因素被证明是重要的。工业中的R2R加工是在需要大量投资的大型机器上进行的，并且在采购和制造过程中做出的所有选择决策都是由成本驱动的。该设置指导对材料组合、加工时间和加工环境的决策，并要求高工艺的稳健性和可靠性。

　　材料复杂性：一般来说，工业发展将集中在那些生产可扩展且成本合理的材料上。基础研究可以在这方面提供重大贡献，因为近年来的材料发展已经证明了这一点，例如，随着供体-受体聚合物和NFA的出现。尽管器件PCE取得了显著的改进，但化学复杂性和对纯化或分子量选择性的需求也同时增加。为了使化学复杂性和纯化需求更加具体，引入了一个品质因数，将合成复杂性 （SC） 描述为化学加工步骤（包括这些步骤的产量）的函数。考虑到这一在工业上重要的推理，开发易于合成的NFA的努力已经开始。此外，对于工业环境来说，大规模的批次间可重复性至关重要，必须得到保证。

　　由良性、非卤化溶剂沉积：工业加工受标准化安全协议的监管。因此，在工业环境中的大型制造线上处理大量材料时，对工作人员的安全制定了严格的规定。根据有害物质限制指令 （RoHS 1） 和欧盟注册、评估、授权和限制 （REACH） 法规，使用的所有溶剂必须对健康总体上无毒或无害。特别可取的是，甚至向绿色溶剂更进一步，即由可持续资源生产的无毒溶剂。

　　使用狭缝模具、刀片或棒材涂层进行沉积：旋涂和线性涂层方法之间的薄膜动力学和结构形成过程差异很大，而各种类型的线性涂层方法之间差异不大。虽然从刀片涂层到工业狭缝模具涂层等仍需要一些优化步骤，但工业经验表明，与从优化的旋涂设备到优化的放大设备所需的更改相比，差异很小。叶片或狭缝模头涂层的设置可以保持简单，其优点是时间分辨结构表征（例如，通过光学光谱学）可以很容易地集成到学术研究目的中，并额外减少必要的材料数量同时产生均匀和可再现的薄膜。关于印刷过程，通常各层必须足够厚，以避免在通过丝网印刷应用银 （Ag） 电极时损坏。在工业环境中，至少空穴传输层的厚度至少为 300–400 nm，以便在加工过程中实现必要的稳健性，同时活性层经过优化以获得最佳性能。然而，前者并不一定是学术电池开发的必要条件，因为它甚至可能适得其反，例如在带有反射电极的器件中，电荷传输可能会受到负面影响。

　　完全解决方案可加工的堆栈：涂层和印刷 OPV 要求所有层都是可溶液处理的，以保证经济的制造成本。虽然基板电极膜标准来自供应商，但传输层和活性层以及顶部电极都是用油墨配方涂布的，并使用导电浆料印刷。这反过来意味着，真空沉积传输层（通常用于在研究实验室中进一步优化PCE）在基于解决方案过程的工业环境中是不可行的。然而，对于材料适用性的工业判断，在研究实验室中使用真空沉积顶部电极是一种选择，因为过去几年的工业放大经验表明，从真空沉积电极到没有真空沉积夹层的印刷电极的转移是可重复的，并且PCE的变化是可预测的。

　　涂层湿膜的干燥和后退火：工业加工需要考虑的另一个因素是干燥和退火涂层湿膜时的温度/时间限制。干燥是通过加热角色、红外 （IR） 干燥机或对流烤箱实现的，由于涂层速度快和不同涂层站之间的可用空间有限，因此必须在生产线上快速进行。此外，为了保证柔性PET基材的机械稳定性，必须将加工温度限制在120°C以内。另一方面，复杂的后处理技术（如溶剂退火）难以集成到大规模的R2R工艺中，特别是对于较长的溶剂暴露时间，应避免使用。总体而言，需要使用很少且简单的加工步骤进行制造，这些步骤易于集成到R2R工艺中，并且需要将干燥时间限制在几分钟内。

　　PET基材及器件面积1cm2：R2R 器件制造需要通过涂层或打印进行加工，并通过激光烧蚀进行图案化柔韧的基板是必不可少的。从工业角度来看，在学术环境中研究 PET 基材是首选，因为它提供的设备数据更接近行业标准。然而，更重要的是，学术研究单元通常非常小，尺寸只有几毫米2.虽然这允许研究各种加工条件，并比较几个电池与少量材料，但它也缺乏关于材料固有的可实现的薄膜均匀性的信息，而这是放大所必需的。此外，太小的电池尺寸掩盖了透明底部电极（通常基于ITO的）的电导率限制，并导致高估了工业规模上可能的PCE。为了判断可扩展性，调查具有 1cm 的设备2单元区域将提供对涂层固有均匀性的洞察，从而深入了解工业材料的可加工性和可再现性。该尺寸也包括上述电导率限制。1cm的结果2没有真空沉积夹层的电池将很好地指示放大潜力。图2表明，如果使用工业上合适的器件组件，增加有源层面积不会限制模块效率。

　　图2中表明，如果所有组件（基材、夹层）都相同，但只有活性层从 1 厘米增加到 27 cm2，则效率不会改变。我们展示这些数据是为了指出，实验室冠军器件和工业制造的OPVs的PCEs最显着的差异目前源于这样一个事实，即通常使用不同的支架来嵌入活性层，而不是因为活性层本身的放大。所提供的有关工业环境的信息显示了学术和工业处理的不同之处，以及推动工业决策的原因。牢记这些方面，学术研究可以帮助加速新材料向工业环境的过渡。目前工业上用于制备OPV堆栈的材料规格如下表1包括加工过程中相关的时间和温度，在尝试建立工业可行性标准时，可以用作学术研究实验室加工的指南。

　　需要注意的是，只有满足某些最低稳定性标准的材料才能被考虑升级到R2R生产规模，并最终转化为产品。最先进的工业模块基于在工业加速老化测试中表现出耐久性的材料，并使产品具有多年的长寿命承诺。 17 这意味着稳定的 OPV 设备是可能的。然而，对于最新一代的高PCE材料来说，要进入工业阶段，稳定性（仅次于合成复杂性）目前仍然是一个主要障碍。虽然学术报告已经开始研究基于新一代材料的设备的稳定性，但只有在满足某些稳定性标准的情况下，才能将新材料转移到工业加工中。一些稳定性标准很容易报告，可以帮助显着加快技术开发。需要注意的是，工业稳定性要求不仅限于设备稳定性。此外，材料本身需要足够稳定，以便在工业环境中进行运输、储存和加工。在检查器件的不稳定性时，区分有源层本身的退化或有源层和传输层之间的接口是有意义的。

　　有机材料的行为差异很大，但许多新材料在工业相关的加工步骤中具有固有的不稳定性。下面推荐的通用测试通过简单的测试来检查此类有害故障，这些测试在标准 OPV 研究实验室中很容易获得，而无需复杂的老化测试设备。在学术研究中报告以下稳定性方面将有助于加速成果向工业生产环境的转移。

　　内在材料稳定性：这是在工业环境中选择制造材料时要考虑的第一个重要方面。关于材料稳定性本身，需要考虑两个重要方面：一方面是材料的保质期，即材料需要运输和储存的条件（光照条件、温度、保护气氛），另一方面是加工过程中的材料稳定性。标准工业R2R涂布机和印刷机的性质要求在空气中进行加工的必要条件。由于成本原因，在惰性气氛中处理印刷的 OPV 不是一种选择。因此，在手套箱中制备样品不用于工业可行性测试，因为工艺条件不能以经济的方式转移到工业生产中。虽然在空气中处理对于溶液打印活性层的工业适用性判断是绝对必要的，但在黑暗和/或氮气中储存是可行的。另一个重要方面是墨水的稳定性。油墨的加热是工业标准，但在涂布或印刷过程中，油墨必须在恒定温度下稳定数小时。此外，油墨配方应稳定数周，以便在制备油墨时实现具有成本效益的大批量。

　　设备稳定性：学术 OPV 设备最近几乎达到了 20% 的 PCE 限制。1这在社区内取得了巨大的成功。然而，高PCEs不应再成为唯一引起关注的研究焦点。尽管初步的努力已经开始，但迫切需要转向理解和克服稳定问题。对于初步判断，需要在 120°C 的高温下、空气（封装设备）或氮气（而不是封装）下 5 小时后进行设备性能测量，以进行首次工业可行性检查。原因是每个模块在加工（例如，干燥和层压）过程中都会经历如此高的温度，并且必须承受处理而不会显着降低 PCE。此外，在惰性或环境气氛（封装设备）下在黑暗中储存至少 1 周（最好是数周）后，使用设备性能测量进行保质期检查将告知另一个衰减指示器。最后，在将设备暴露在AM 1.5G条件下至少1周或更长时间后，使用设备性能测量进行光照浸泡检查，将进一步降低升级风险。无论报告的太阳能电池性能是通过在空气中、手套箱中的测量获得的，还是从封装的太阳能电池中获得的，每个条件都同样适用于工业适用性判断，因为在工业环境中，生产的设备将在测量太阳能电池性能之前被封装。

　　空气中固有的材料稳定性：对环境空气进行设备处理，不会对 PCE 和设备稳定性产生负面影响

　　设备保质期：比较制备后以及在黑暗和惰性气氛中储存数周后的设备性能，以及与一段时间内的性能测量（例如，每周一次）

　　高温压力测试：将最终设备暴露在 120°C 的温度下 5 小时，理想情况下每小时进行一次性能测量

　　光浸泡：将最终设备暴露在 AM 1.5 G 或类似条件 （1000 W/m） 下2） 至少 1 周（最好更长，最好是在最大功率点条件下），每天或更频繁地进行性能测量

　　随着OPV的大规模生产现在成为现实，我们提出了从工业角度判断新材料和工艺成熟度的关键因素。我们已经讨论了表征工业制造的处理方面和 OPV 商业化所需的稳定性测试。关键的制造方面包括 （1） 环境空气处理，（2） 所有相关层的刀片涂层或刮刀，（3） 使用良性溶剂，（4） 简单和短层的干燥和退火，以及 （5） 使用足够大的设备区域。几个稳定性方面与OPV技术的进一步技术进步有关。这些测试对于研究实验室来说很容易获得，将是加速与OPV行业技术转让的重要一步。此外，还需要超越 PCE 和稳定性的研究重点。需要降低材料的合成复杂性，以保证新材料向工业环境的经济转移。我们希望这篇评论能引发对特定方向的研究，并为协调学术和工业研究做出贡献，以加速可持续有机太阳能电池在我们社会中的市场渗透。

　　为加强科研合作，我们为海内外科研人员专门开通了钙钛矿科创合作专业科研交流微信群。加微信群方式：添加编辑微信pvalley2024、pvalley2019，备注：姓名-单位-研究方向（无备注请恕不通过），由编辑审核后邀请入群。

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