《Materials Today Energy》：Large-area printing technologies for organic photovoltaic cells
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有机光伏电池（OPV）因轻质、柔韧和溶液加工特性，在可穿戴电子、建筑一体化光伏等领域潜力巨大。实验室单结OPV电池效率已超21%，但大规模印刷面临薄膜形貌调控难题，需优化溶剂蒸发速率、剪切力及材料兼容性。本文系统综述了刮刀涂层、狭缝式涂布、喷墨印刷等六种主流印刷技术，分析其成膜机理及近五年在界面层印刷、活性层形貌调控和电极图案化方面的进展，指出材料-工艺协同优化和厚度均匀性控制是产业化关键。
作者：Yourui Zang, Wenye Xu, Yong Cui, Jianhui Hou
中国科学院化学研究所，北京国家分子科学实验室，聚合物物理与化学国家重点实验室，北京，100190，中国
摘要
有机光伏（OPV）电池具有重量轻、机械柔韧性强的特点，并且适合通过溶液处理进行大规模生产，因此在可穿戴电子设备、建筑集成光伏系统以及室内能源收集方面具有巨大潜力。目前，小面积单结OPV电池的转换效率已超过21%，接近商业化所需的效率标准。为了将这些技术成果转化为实际应用，可扩展的大面积印刷技术变得至关重要。本文综述了OPV电池大面积印刷的基本原理和最新进展，涵盖了刀片涂层、槽模涂层、喷雾涂层、喷墨印刷、凹版印刷和丝网印刷等方法。我们的目标是提供技术参考和前瞻性见解，以加速OPV电池的可扩展生产和工业化应用。
引言
在全球能源转型和碳中和目标的推动下，有机光伏电池因其在重量轻、柔韧性高和低成本的同时具备溶液处理能力等独特优势，成为可再生能源领域最具前景的技术之一[[1], [2], [3], [4], [5]]。与传统硅基太阳能电池相比，有机光伏电池不仅适用于建筑集成光伏（BIPV）和柔性电子等新兴应用，而且在弱光条件下也能实现高效发电[[6], [7], [8], [9]]。自1986年Tang C. W.制备出首个双层异质结OPV电池以来，该领域已经经历了近四十年的发展[[10]]。通过优化器件结构、设计新型活性层和载流子传输材料以及控制薄膜形态，小面积单结和串联OPV电池在标准太阳光照（AM 1.5G）下的转换效率（PCE）现已超过20%，逐渐缩小了与钙钛矿和传统硅太阳能电池之间的效率差距[[11], [12], [13], [14], [15]]。
作为OPV电池商业化的重要推动力，大面积印刷技术受到了研究人员越来越多的关注。然而，实验室规模旋涂工艺获得的理想薄膜形态往往难以直接应用于工业规模的印刷技术（如喷雾涂层、刀片涂层、喷墨印刷和槽模涂层）。在印刷过程中，溶剂蒸发速率的不均匀性、剪切力引起的流动扰动以及某些材料的聚集倾向可能会破坏相分离过程，从而加剧活性层形态的不可控性[[16], [17], [18], [19]]。因此，实验室规模和工业规模器件之间的显著性能差距成为限制OPV电池商业化的关键瓶颈。
理想的OPV电池印刷技术应满足两个关键要求：(i) 具备卷对卷（R2R）连续生产能力，能够在柔性基底（如聚对苯二甲酸乙二醇酯[[20], [21], [22]]、聚萘二甲酸乙二醇酯[[23,24]]、热塑性聚氨酯[[25,26]]（TPU）、聚酰亚胺[[27,28]]（PI））上完全印刷活性层和电极；(ii) 实现工艺-材料-设备的协同优化，通过控制溶剂蒸发速率和剪切力，在高速印刷条件（>10 m/min）下形成具有纳米级相分离结构的理想形态，从而确保器件效率尽可能接近实验室水平。
近年来，研究人员致力于分子设计、工艺工程和器件创新方面的协同优化。通过开发具有更宽形态容忍窗口的新材料体系、精细调整工艺参数以减少模块效率损失，以及使用环保溶剂进行绿色制造，他们不断推动大面积印刷技术的快速发展。然而，关于大面积印刷的系统性综述仍然相对较少，尤其是那些从薄膜形成机制、材料兼容性和工业化潜力等方面进行比较的综述。为填补这一空白，本文重点介绍了六种主流印刷技术（刀片涂层、槽模涂层、喷雾涂层、喷墨印刷、凹版印刷和丝网印刷），阐明了它们的薄膜形成原理，并系统总结了过去五年在界面层印刷、活性层形态调控和电极图案化方面的主要进展。尽管取得了这些成就，印刷技术仍面临材料-工艺兼容性不足和难以控制厚度均匀性等挑战。因此，本文旨在为OPV电池从实验室研究向大规模商业化生产提供理论支持和实践指导。
有机光伏电池的大面积印刷技术
有机光伏电池的大面积印刷技术是实现从“实验室规模的高效率”向“工业规模的高可靠性”过渡的关键桥梁。未来，该领域需要专注于具有可转移实验室工艺的可扩展制造技术，并进一步推动其向大规模R2R印刷发展。代表性的印刷方法包括刀片涂层、槽模涂层、喷雾涂层、喷墨印刷等。
结论与展望
随着“双碳”战略的提出和可再生能源产业的快速发展，大面积有机光伏器件受到了越来越多的关注。小面积单结OPV器件的认证效率已超过20%，标志着OPV技术向商业化迈出了重要一步。同时，随着大面积印刷技术和材料的持续进步，大面积OPV模块的前景十分广阔。
作者贡献声明
Yourui Zang：撰写初稿、数据可视化、软件开发、方法论设计。
Wenye Xu：审稿与编辑、数据可视化。
Yong Cui：审稿与编辑、资源获取、方法论设计、资金筹集。
Jianhui Hou：审稿与编辑、资源获取、方法论设计。
资助
本工作得到了国家自然科学基金（编号：22322904、22275195、52120105005）的支持。Y.C. 还获得了中国科学院青年创新促进协会（编号：2023036）的财政支持。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号：22322904、22275195、52120105005）的支持。Y.C. 还获得了中国科学院青年创新促进协会（编号：2023036）的财政支持。
