Plexcore® PV 油墨在印刷太阳能系统中的应用及优势

Darin Laird,哲学博士
高级设备技术总监
Plextronics, Inc.
2180 William Pitt Way
Pittsburgh, PA 15238

Jia Choi,哲学博士
技术产品专家
MilliporeSigma
6000 N. Teutonia Ave.
Milwaukee, WI 53209


 简介

由于需求飙升而造成对全球能源的挑战继续推动开发一种成本效益高、环境友好的方法,使太阳能转化为电力。几十年前,太阳能转换的主要方法是第一代硅基技术,这些技术仅限于大型的在线安装。在其他第二代和第三代光伏技术中,有机光伏 (OPV) 或有机基太阳能电池由于其机械灵活性、低成本、多功能化学设计和合成的潜力而被广泛研究。而且,与硅和无机太阳能电池相比,有机材料价格低廉,重量轻,易于加工。1 伴随着这些优点,设备效率和对底层物理过程的机械理解方面的重大进展使 OPV 技术更接近商业化。2,3 特别是结合印刷技术,大体积 OPV 的高吞吐量、卷对卷 (R2R) 生产的简单化操作将有望显著提高降低成本。4最近,OPV 的研究和开发已经朝着将完全印刷式有机太阳能电池作为可印刷电源的方向发展,或与其他印刷有机电子应用相结合,以实现与今天印刷纸质报纸相同方式制造的自供电电子报纸的愿景。5-7


 Plextronics Plexcore 技术

在过去的十年中,印刷太阳能电源在性能方面取得了重大进展,例如高功率转换效率(1%至10.7%)和长期稳定性(数小时至数年)。Plextronics, Inc.正在引领包括印刷太阳能在内的印刷电子产品的材料和工艺技术的发展。我们与Plextronics合作,为研究人员提供Plexcore 技术,以加速可能有助于实现印刷太阳能商业化的研究。


图1我们目录中提供的Plexcore PV油墨系统套件

Plexcore PV 是一种即用型墨水系统,作为打印太阳能电源始终提供世界级 (5%) 有机性能。该系统由两种可溶液处理的油墨组成,这些油墨是定制设计的,可协同工作:(1) 光敏油墨和 (2) 空穴传输墨水(表1)。光敏油墨基于聚(3-己基噻吩)(P3HT):富勒烯共混物,记为 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,用于更高效的 OPV 应用。空穴传输油墨基于磺化聚(噻吩-3-[2-(2-甲氧基乙氧基)乙氧基]-2,5-二基)(S-P3MEET)。最终用户可以在合适的基板上用几乎任何涂层方法组装标准或倒置结构的 OPV 电池。一旦制造,最终用户可以选择其期望的阳极/阴极组合优化并放大到更大的格式。这些 PlexcorePV 系统不含重金属,例如在典型电池和有竞争力的无机光伏技术中发现的重金属,由于 Plexcore 与制造用高通量 R2R 打印工艺具有兼容性,其成本通常低于其他光伏材料类型。

表 1Plexcore PV 油墨系统

 

Plexcore PV 油墨系统 Plexcore PV 1000
产品编号711349
Plexcore PV 2000
Product No. 772364
光敏油墨 p 型聚合物

聚(3-己基噻吩-2,5-二基)(P3HT)
n 型富勒烯

[6,6]-苯基丁酸甲酯 C60
(PCBM)


茚 C 60 双加合物

(ICBA)
空穴传输墨水

磺化聚合物(噻吩-3- [2-(2-甲氧基乙氧基)乙氧基]-2,5-二基)


(S-P3MEET)


 印刷太阳能电池应用

在印刷太阳能电池中,太阳光在光敏层中被吸收,在 Plexcore PV 1000 和 2000 的情况下,太阳光主要由共轭聚合物 P3HT 吸收。这种光的吸收会产生激发态物种(激子),然后激子可以分离成正负电荷载流子(如图 2 所示)。然后,这些电荷载流子流向导电电极(阴极和透明阳极),以便为外部电路提供动力。空穴传输层允许通过将能级与阳极匹配来从光敏层中提取正电荷,以产生对有机太阳能电池效率至关重要的低阻接触。

广义的基于 Plexcore PV 的有机光伏 (OPV) 标准电池结构

 图 2广义的基于 Plexcore PV 的有机光伏 (OPV) 标准电池结构。(注:Plexcore PV 1000 和 2000 也可以有效地使用倒置体系结构。)

 

Plexcore PV 油墨在印刷太阳能电池中的组合对于始终如一地生产高效器件至关重要,与其他具有成本效益的商用有机光伏材料相比,该系统能将更多的光能转化为电能。图 3显示了在柔性基板上打印 Plexcore PV 2000 油墨系统制备的柔性有机光伏模块。

图 3 柔性有机光伏模块,Plexcore PV 2000 采用优化的槽形芯片配方涂覆

 图 3 柔性有机光伏模块,Plexcore PV 2000 采用优化的槽形芯片配方涂覆

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

表 2NREL认证的 Plexcore PV 1000  和 2000 油墨系统的性能数据
 

Plexcore 油墨系统 Voc
[V]
Isc
[mA]
Jsc
[mA/cm2]
填充因子(%) 效率(%)
PV 1000
[P3HT:PCBM]
0.60 0.49 9.87 65 3.83
PV 2000
[P3HT:ICBA]
0.81 0.44 10.32 72 5.98

 

用 Plexcore PV 1000 和 2000 材料制成的 OPV 设备的电流 (I)-电压 (V) 示意图见图 4。OPV 电池已经在 NREL-SERF 设施 (Golden,CO) 的非紫外线防护室外玻璃封装模块中进行了测试,并在失效前经受了 1000 小时的日光照射。

 

由国家可再生能源实验室 (NREL) 认证的 Plexcore PV 1000(左)和 PV 2000(右)油墨系统制造的 OPV 设备的 I-V 数据。

图 4由国家可再生能源实验室 (NREL) 认证的 Plexcore PV 1000(左)和 PV 2000(右)油墨系统制造的 OPV 设备的 I-V 数据。设备结构:玻璃/ITO/Plexcore PV HTL/Plexcore PV 光敏层/Ca/Al;电池尺寸 = 0.1 cm2,孔径为0.043 cm2,AM 1.5G 光源。

PV 1000 油墨系统的归一化外部量子效率 (EQE) 数据示意图见图 5,此图说明了该油墨油墨的吸光度分布。当这类系统的内部量子效率 (IQE) 接近 100% 时,EQE 最大值可能达到60-70%。对于这些类型的有机光伏系统,几乎所有吸收在光敏层中的入射光子都在相应的触点处被收集为电荷载流子(电子和空穴)。波长在 300 至 650 nm 之间的光子很容易被  PV  油墨系统吸收,并显示非常高的 EQE 值。

来自 NREL 的 Plexcore PV 1000 的归一化外部量子效率 (EQE) 谱图。

图 5来自 NREL 的 Plexcore PV 1000 的归一化外部量子效率 (EQE) 谱图。(注:基于 PV 2000 的 OPV 设备具有可比较的 EQE 配置文件。)

表 3 列出了使 Plexcore PV 油墨系统能够推动印刷太阳能增长的一些优点和特点。

表 3Plexcore PV 油墨系统的优势
 

OPV 油墨系统特性 Plexcore PV解决方案 优势
即用油墨系统
  • 为最佳印刷和性能而设计
  • 溶液可加工油墨
  • 应用程序指南  (PV 1000,PV 2000) 提供初始处理参数
  • 无需内部配制或合成
  • 无 HIL 或光敏元件的真空沉积
  • 减少总体开发时间
  • 提供旋涂和槽形模具配方
世界级性能
  • OPV电池中的 Plextronics 技术具有 NREL 认证 6% 的效率
  • 空穴传输油墨可与其他光敏油墨一起使用
  • 通过使用唯一保持一致的商用 OPV 墨水系统加速开发
  • 获得未来商业改进
始终如一,供应可靠
  • 可作为包含每种组分体积为 25 mL 的的试剂盒提供
  • 聚合物组分按比例扩大到商业生产水平
  • 将材料的可变性最小化,以专注于其他领域的发展


 材料

     


  参考

  1. Hong Ma, Hin-Lap Yip, Fei Huang, Alex K.-Y. Jen. Interface engineering for organic electronics. Advanced Functional Materials 2010, 20, 1371.
  2. Martin A. Green, Keith Emery, Yoshihiro Hishikawa, Wilhelm Warta and Ewan D. Dunlop. Solar cell efficiency tables (version 40). Progress in Photovoltaics: Research and Applications 2012, 20, 606–614.
  3. Pankaj Kumar and Suresh Chand. Recent progress and future aspects of organic solar cells. Progress in Photovoltaics: Research and Applications 2012, 20, 377.
  4. Madhusudan Singh, Hanna M. Haverinen, Parul Dhagat, Ghassan E. Jabbour. Inkjet Printing-Process and Its Applications. Advanced Materials 2010, 22, 673.
  5. Claudia N. Hoth, Pavel Schilinsky, Stelio A. Choulis, Christoph J. Brabec. Printing highly efficient organic solar cells. Nano Letters 2008, 8, 2806.
  6. Yulia Galagan, Jan-Eric J. M. Rubingh, Ronn Adrriessen, Chia-Chen Fan, Paul W. M. Blom, Sjoered C. Veenstra, Jan M. Kroon. ITO-free flexible organic solar cells with printed current collecting girds. Solar Energy Materials & Solar Cells 2011, 95, 1339.
  7. M. Möllera, N. Leylanda, G. Copelanda, M. Cassidya, Self-powered electrochromic display as an example for integrated modules in printed electronics applications. The European Physical Journal Applied Physics 2010, 51, 33205.