有机太阳能电池(Organic Photovoltaics (OPV) )是一类使用有机半导体材料作为光电转化材料的太阳能电池体系的总称。正如材料篇中所介绍的,有机半导体分为小分子与聚合物两类。有机小分子材料一般通过真空蒸镀方式沉积,有机聚合物材料可以通过印刷或溶液法加工方式沉积,例如涂布方法。

德国OPV制造商Heliatek采用的是真空蒸镀技术路线。通过采用两种有专利权的光吸收材料,可将不同波长的光波均转化为电能,将OPV的光电转换效率达到破记录的13.2%。其产品HeliaSol“即用型”太阳能薄膜光电转换效率在7%到8%。半透明光伏薄膜在30%透光率下仍能获得6%的光电转换效率。

基于聚合物半导体材料的OPV中各功能层均能在低温下通过溶液法制备,因此,适合于在各种柔性和不耐高温的基底上制备,包括有性塑料薄膜、甚至是纸张、织物等。在实验室中,绝大多数高效率的OPV均是采用旋涂法制备——虽然旋涂法并不是一个合适的能够用于制备光伏产品的工业生产技术。在实际的生产中,由于有机半导体材料有效电子传输距离仅仅只有100nm左右,其功能层厚度很难超过200nm。因此,虽然OPV从工作原理上讲可以通过印刷的方法制备,但是由于薄膜厚度低、且无法添加任何填料,在实际的生产过程中对于印刷技术提出了极大的挑战。

国际上的一些OPV的先驱公司如:Konarka、Solarmer等,研究机构如:丹麦Frederik C Krebs课题组和澳大利亚的澳大利亚联邦科工组织(CSIRO)等均在使用狭缝涂布技术制备OPV 上开展了大量有益的工作。这些工作都证实了狭缝涂布技术在OPV的规模化制备中的应用。图表87是一些机构和公司发布的其使用狭缝涂布技术制备的OPV产品的实物照片。           

图:采用狭缝涂布技术制备的OPV实物

由于聚合物分子的无限可设计性,开发新型光伏材料一直是科技界的热门课题。欧盟在过去10余年中执行了一系列与有机光伏相关的研究项目。国内也有多个研究团队一直在OPV领域耕耘,从基金委到科技部都支持了相关研究项目。在OPV的印刷制备技术开发方面,国内几乎与国外是同时开始的。

北京大学、国家纳米科学研究中心、中科院化学所、中科院苏州纳米所、苏州大学、华南理工大学和中南大学等知名的科研院所早在多年以前就已经开展OPV印刷制备的相关基础研究工作。中南大学开发出了基于卷对卷微凹版印刷技术和卷对卷狭缝涂布技术连用的OPV印刷制备技术,丰富了OPV的印刷制造方法。

图:中南大学的卷对卷有机太阳电池印刷设备及印刷制备的有机太阳电池活性层薄膜

上海幂方公司采用的生产技术以喷墨打印技术为主,结合了刮涂工艺。这样一套工艺路线充分考虑了OPV技术现阶段面临的光电转化效率偏低、稳定性很难与现有成熟光伏产品的两个缺点,结合喷墨打印技术的图形化、个性化印刷的优点,利用桌面喷墨打印机定制化的制作了OPV器件。

令人鼓舞的是随着非富勒烯体系受体材料和三线态OPV器件结构的崛起,国内的科研工作者取得了大量领先世界的成果。最近(2018年8月),南开大学陈永胜教授团队设计和制备的具有高效、宽光谱吸收特性的叠层有机太阳能电池材料和器件,使有机太阳能电池转化效率达到17.3%,创造了有机太阳能电池转换效率新的世界纪录。

图:幂方科技喷墨打印制备的有机太阳能电池

OPV产业化在发展进程中经历了两次大的冲击。第一次是晶硅太阳能电池产能过剩的冲击,这次冲击使光伏电价大幅度下降。即使是印刷制备的OPV,由于效率太低与寿命较短,完全无法与晶硅太阳能电池在市场上竞争。最有代表性的例子是美国Konarka公司的倒闭。Konarka公司是最早采用卷对卷印刷方法生产OPV的企业,诺贝尔奖获得者A Heeger是该企业的合伙人之一。2010年该公司生产的Power Plastic光伏电池的转换效率由美国国家再生能源实验室(NREL)认证达到8.3%,随后在2012年转换效率达到8.8%~9.0%。尽管Konarka公司有过不少值得称许的业绩,也曾得到不少的风险投资和政府资助,但因市场开拓不利,迟迟不能盈利,公司于2012年6月宣布破产保护。2012年10月Konarka的德国分厂被德国太阳能光伏集成企业收购,更名为Belectric OPV GmbH。

有机光伏经历的第二次冲击是钙钛矿太阳能电池的出现,造成原来一些研究开发OPV的研究机构转向研发钙钛矿光伏,有机光伏的产业化项目在资本市场上受到冷落。但随着OPV的光电转化效率逐渐的攀升,在经历了Konarka公司破产的低谷之后,OPV产业也正在逐步走向复苏。届时大量的市场需求将会催生一大批科研人员和企业进入印刷制备OPV这一领域。也会为印刷技术在光伏领域的发展提供新的发展空间。

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