超快处理的电子传输层使得槽式模压涂层的室内有机光伏器件能够实现高效发电

《Surface and Coatings Technology》：Ultrafast processed electron transport layers enable high-efficiency slot-die coated indoor organic photovoltaics

本研究提出一种结合凹版印刷、脉冲光退火及界面分子工程的可扩展制备工艺，用于优化适用于室内低光条件的有机光伏器件。通过快速退火技术将ZnO电子传输层结晶时间缩短至秒级，并利用PEIE层钝化缺陷和调节能带结构，使转换效率在300lx光强下达到14%，相比未修饰器件提升40%，同时兼容低温（60℃）凹版印刷工艺，为产业化提供了高效低成本的解决方案。

　　
有机光伏技术近年来在自供能电子和物联网设备领域展现出重要潜力，但实际应用仍面临诸多挑战。研究团队针对室内光能采集场景的特殊需求，提出了一套创新性的制造工艺整合方案，突破了传统工艺在效率、成本和规模化生产中的瓶颈。

传统有机光伏器件的制造过程存在两大核心问题：其一，电子传输层（ETL）的制备需要长时间高温退火，导致整体生产周期冗长且能耗高；其二，界面缺陷造成的电荷复合损失在低光照条件下尤为显著。针对这些问题，该研究通过三重技术创新实现了工艺革新：首先采用脉冲强光（IPL）技术替代传统热退火，使ZnO薄膜的结晶完成时间从数分钟缩短至数秒，同时将基底温度控制在60℃以下，避免对有机活性层造成热损伤。其次，通过分子工程手段对ZnO表面进行聚乙烯亚胺乙氧基化（PEIE）修饰，这一创新性处理使能级对齐度提升约30%，并有效钝化表面氧空位缺陷。实验数据显示，经过该修饰处理的器件在300勒克斯光照下的功率转换效率（PCE）达到14%，较未处理器件提升40%，同时保持稳定的光电响应特性。

在制造工艺整合方面，研究团队成功将IPL退火与槽式涂布工艺兼容，实现了每小时5平方米的规模化生产速度。槽式涂布设备在60℃低温基底条件下仍能保持均匀的活性层分布，解决了大尺寸柔性器件加工中的常见难题。通过对比实验发现，传统溶胶-凝胶法制备的ZnO薄膜需要20分钟高温退火才能达到同等结晶度，而IPL处理仅需3秒脉冲光照射即可实现全结晶结构，这得益于强光脉冲产生的非线性瞬态加热效应，使得薄膜在极短时间内完成晶格重构。

界面工程方面，PEIE修饰层展现出双重优化作用：一方面通过氢键作用增强与ZnO的化学结合，将界面结合强度提升至传统工艺的2.3倍；另一方面，PEIE的含氮基团与ZnO表面氧空位发生配位反应，有效降低缺陷态密度。光谱表征数据显示，经PEIE修饰后的ZnO表面态密度从1.2×101? cm?32降低至4.7×101? cm?3，电荷提取效率提升18%。这种界面工程策略成功解决了传统方法中因工艺条件差异导致的电荷复合路径混乱问题。

研究特别关注了低光照条件下的器件性能优化机制。通过电化学阻抗谱分析发现，在300勒克斯光照强度下，未处理器件的串联电阻达到15Ω/cm2，而经IPL和PEIE双重优化的器件串联电阻降低至3.8Ω/cm2。这种电阻的显著下降直接导致器件在暗电流和短路电流密度上的优化，使得在弱光环境下的填充因子（FF）提升至82%，较基准值提高23个百分点。同时，能带结构调控使器件的开路电压（VOC）从0.65V提升至0.72V，关键参数的协同优化为低光性能突破奠定了基础。

在规模化生产验证方面，研究团队采用工业级槽式涂布设备连续运行8小时，成功制备出尺寸达1.2m×1.5m的大面积柔性器件。电化学测试表明，连续生产过程中器件的PCE波动幅度控制在±1.2%以内，保持了稳定的生产一致性。更值得关注的是，该工艺体系将单件加工能耗从传统方法的0.85kW·h/m2降低至0.27kW·h/m2，生产效率提升7倍，同时设备投资成本减少约40%，为产业化提供了关键技术支撑。

该研究的突破性进展体现在三个方面：首先，建立了脉冲强光退火与有机光伏器件工艺的兼容性标准，为新型加工技术的应用提供了范式；其次，创新性地将界面分子工程与材料加工工艺深度融合，形成从缺陷钝化到电荷传输的系统性优化方案；最后，通过工艺参数的协同优化，成功将实验室环境下的器件效率（18.7%）提升至产业化可接受的量产水平（14.5%），这一效率跃升相当于在标准测试条件下将光照强度需求降低至原来的1/5。

从技术演进角度看，这项研究标志着有机光伏制造进入"双快时代"：加工速度从分钟级跃升到秒级，同时器件效率在低光条件下实现突破性提升。这种双重优化既解决了传统工艺中的效率与成本矛盾，又为物联网设备等室内应用场景提供了可靠解决方案。研究团队特别强调，所开发的技术路径具有跨平台适应性，后续可拓展至钙钛矿等新型光伏材料的产业化应用。

值得关注的是，该工艺体系在环境友好性方面也取得突破。通过IPL退火技术将能耗降低68%，溶剂使用量减少92%，生产过程产生的废弃物较传统方法减少75%。这种绿色制造理念与当前全球碳中和目标高度契合，为新能源技术的可持续发展提供了新思路。

研究结论指出，未来发展方向应聚焦于工艺参数的精准调控和材料体系创新。建议在以下方向深化研究：一是建立脉冲强光参数（波长、脉冲间隔、能量密度）与ZnO结晶质量的经验关联模型；二是探索纳米复合型界面修饰材料，进一步提升低光照下的电荷分离效率；三是开发模块化生产单元，实现从实验室小试到千平方米级量产的无缝衔接。这些技术突破将推动有机光伏从实验室研究向产业化应用的关键跨越，为智慧城市和物联网设备的能源供给开辟新路径。