用于印刷太阳能发电系统的Plexcore^® PV油墨的应用和优势

• 简介
• Plextronics Plexcore技术
• 印刷太阳能电池应用

简介

由需求激增所带来的全球能源挑战，继续推动着一种可将太阳光转化为电能的经济高效、环境友好型方法的发展。数十年前，太阳能转换的主要方法是第一代硅基技术，其仅限于大型并网安装。在其他的第二代和第三代光伏技术中，有机光伏（OPV）或基于有机的太阳能电池因其机械柔韧性以及低成本、多功能的化学设计和合成潜力而受到了广泛研究。此外，与硅基和无机太阳能电池相比，有机材料更为廉价、轻巧且易于加工。¹ 除了这些优点，设备效率和对基本物理过程在机械理解上的重大进步已使得OPV技术更接近于商业化。^2,3 尤其是，通过与印刷技术相结合，大批量OPV的高通量、卷对卷（R2R）生产的简便性可有望显著改善降低成本的工作。⁴ 最近，OPV的研发已转向完全印刷的有机太阳能电池，其可作为一种印刷电源与其他印刷有机电子应用一同或结合使用，以实现用与今天印刷纸质报纸相同的方式来制造自供电电子报纸的愿景。^5-7

Plextronics Plexcore技术

在过去的十年中，印刷太阳能电池在性能方面取得了重大进展，如高功率转换效率（<1％到10.7％）和长期稳定性（小时到数年）。Plextronics, Inc.公司正引领着用于包括印刷太阳能在内的印刷电子的材料和处理技术开发。通过与Plextronics合作，我们为研究人员提供了Plexcore技术，以加快可帮助印刷太阳能商业化的研究速度。

Plexcore PV是一种即用型的油墨系统，可作为印刷太阳能源始终提供世界一流（>5％）的有机性能。该系统由经定制可一同使用的两种可溶液处理油墨组成：（1）光敏油墨和（2）空穴传输油墨（表1）。光敏油墨基于聚（3-己基噻吩）（P3HT）：富勒烯混合物，表示为PV 1000和PV 2000。如表1所示，Plexcore PV 1000基于P3HT：PCBM混合物，而Plexcore PV 2000由P3HT：ICBA混合物组成，用于实现更高效率的OPV应用。空穴传输油墨基于磺化的聚（噻吩-3- [2-（2-甲氧基乙氧基）乙氧基] -2,5-二基）（S-P3MEET）。  终端用户可在合适的基材上用几乎任何涂覆方法组装标准或倒置结构的OPV电池。  制成后，最终用户可选择所需的阳极/阴极组合，以进行优化和放大至更大的规格。这些Plexcore PV系统不含重金属，例如那些在典型电池和竞争性无机光伏技术中发现的重金属，并且由于Plexcore与高通量R2R印刷的制造工艺兼容，其成本通常低于其他光伏材料类型。

印刷太阳能电池应用

在印刷太阳能电池中，太阳光主要通过共轭聚合物而被吸收在光敏层中，这在Plexcore PV 1000和2000中即为P3HT。  光的吸收会产生激发态物质（激子），其随后可分成正负电荷载流子（如图2所示）。然后，这些电荷载流子会流向导电电极（阴极和透明阳极）以向外部电路供电。空穴传输层会通过使能级与阳极匹配以产生对于有机太阳能电池效率至关重要的低电阻接触，而实现从光敏层中提取正电荷。

与其他经济高效的商用有机光伏材料相比，将Plexcore PV油墨与印刷太阳能电池相结合对于持续生产高效设备并将更多的太阳能转化为电能至关重要。图3展示了通过在柔性基板上印刷Plexcore PV 2000油墨系统而制备的柔性有机光伏模块。

Plextronics已获得了国家可再生能源实验室（NREL）对于基于Plexcore PV光敏层和空穴传输层技术的OPV电池的认证效率。表2比较了使用Plexcore PV 1000和2000油墨系统的设备性能数据。

图4展示了由Plexcore PV 1000和2000材料制成的OPV设备的电流（I）-电压（V）图。OPV电池已在NREL-SERF设施（科罗拉多州戈登）的无紫外线保护室外玻璃封装模块中进行了测试，并在失效前已经经受了1000个小时的日照。

图5展示了PV 1000油墨系统的归一化外部量子效率（EQE）数据图，该图说明了该油墨系统的吸光度曲线。当此类系统的内部量子效率（IQE）接近100％时，EQE最大值可达到60-70％。对于这些类型的有机PV系统，几乎每个在光敏层被吸收的入射光子都被收集为相应触点处的电荷载流子（电子和空穴）。波长在300至650 nm之间的光子容易被PV油墨系统所吸收，并显示出极高的EQE值。

表3列举了可使Plexcore PV油墨系统能够推动印刷太阳能电池发展的一些优势和特性。