武汉大学闵杰团队Joule：有机光伏器件的成本效益回收 | Cell Press对话科学家

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2024年6月27日，Cell Press细胞出版社期刊Joule在线发表了武汉大学闵杰教授团队在有机太阳能电池回收再利用方面的最新研究成果，论文题为“Cost-Efficient Recycling of Organic Photovoltaic Devices”。武汉大学副研究员孙瑞为论文第一作者，闵杰教授为论文通讯作者。

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在本工作中，作者创新性地提出并实施了有机光伏（OPV）器件的回收协议，首次实现了活性层给受体材料的回收再利用。具体步骤如下：首先，利用非卤溶剂（甲苯）在超声振动下分离退化的OPV器件中的主要部件材料（包括光活性层材料、银电极和导电玻璃基板）。通过该物理和化学方法，无损再生了刚性和柔性ITO基底以及银电极。此外，通过层析柱方法有效分离并回收了溶液中的聚合物给体材料（如PM6）和非富勒烯小分子受体材料（如Y6）。接着，使用回收的基底、活性层和电极材料，结合新鲜和回收聚合物给体共混，重新制备出与原器件结构一致的新器件。值得一提的是，由回收主要组分材料制造的OPVs性能可以与由原始材料制造的器件竞争。此外，初步成本分析表明，该回收协议可显著降低器件制备成本。

图1 有机光伏器件的回收流程图。（A）使用非卤化溶剂分离OPV器件及其组件中各类材料。（B）有价值材料的回收，包括(II)银，(III)活性层给受体材料和(Ⅳ)ITO基板和背板玻璃。（C）利用回收材料重新制备器件。（D）回收再利用成本分析。

研究亮点

1. 设计开发了高成本效益和高回收率的OPV器件回收方案。

2. 首次实现了老化器件活性层给受体材料的回收和再利用。

3. 初步阐明了回收协议的经济可行性和对OPV发展的启示。

研究简介

溶液加工有机光伏（OPVs）因其轻质、半透明、多彩和可柔性制备等优势，具有广泛的应用前景，如可穿戴电子产品、自供电设备和光伏建筑一体化。与其他光伏技术相比，OPVs的潜在竞争力在于其功能层均可通过溶液加工，从而实现极低的加工成本。然而，构成OPV器件的主要部件材料（包括活性层材料、界面层材料、金属电极材料以及透明导电玻璃基板材料）成本极高，使得现阶段实现OPV应用变得困难。因此，除了设计高性能、低成本的功能层材料以外，迫切需要开发一种通用的废弃OPV器件回收协议，实现主要部件材料的快速分离、回收和再利用，可有效节省原材料、能源和生产时间，对推动OPVs应用意义重大。

作者首先使用质子溶剂（水和异丙醇）和非质子极性溶剂（丙酮）去除ITO基底上残留的空穴传输层材料PEDOT:PSS，并进行清洁、回收ITO基底。研究发现，该回收路径不会破坏ITO基底的本征物性。基于多次循环回收的基底所制备的器件与原材料制备的器件相比，效率（PCE）并没有损失。而且，该方法同样适用于柔性导电基底的回收和再利用。此外，对于回收溶液中沉淀的银电极材料，不同于已报道的氯化银（AgCl）回收方法，该回收协议可通过氨水参与的络合反应，并结合管式炉加热方法，可实现银纳米颗粒材料高达99.01%的产率和99.06 wt%的纯度回收。

图2 ITO基底和金属电极的回收再利用。（A）基于原始ITO基底和回收再利用ITO基底的器件J-V曲线。（B）基于原始ITO基底和柔性IMI基底制备器件在不同循环周期下的效率对比。（C）基于原始Ag电极材料和回收Ag电极的器件J-V曲线。（D）Ag电极材料在不同循环周期下制备器件的PCEs。（E）银纳米线、纳米颗粒或纳米棒的回收流程示意图。

由于高效活性层材料的合成步骤通常复杂且成本高，设计有效的给受体材料回收路径是极为重要的。值得一提的是，活性层材料的回收之前并未有所报道。本文中，作者通过柱层析法纯化老化后的PM6给体和Y6受体材料，然后分离并沉降以获得高纯度的PM6和Y6材料。通过红外光谱、紫外可见吸收光谱以及分子量的测试分析发现，老化活性层中可能存在给受体材料的光反应和光氧化反应行为。需要说明的是，回收得到的聚合物PM6材料具有更高的数均分子量和更强的分子聚集。另外，核磁和质谱数据证明了回收纯化后的小分子Y6材料仍具有明确的分子结构，同时发现Y6材料可在不损失器件性能的情况下重复回收使用。不同于回收的Y6材料，具有更大分子量的回收PM6材料会导致器件性能的明显降低。

图3 活性层材料的回收再利用。（A）原始、老化和回收的活性层薄膜红外谱图。（B）原始和回收的PM6和Y6材料的红外谱图。（C）原始和回收的PM6和Y6材料的紫外-可见吸收光谱。（D）基于不同回收材料的器件J-V曲线。（E）基于不同回收材料的器件EQE曲线。（F）基于原始和回收材料制备的器件效率。

为了使回收的聚合物PM6得以再利用，作者进一步引入了将回收PM6与原始PM6共混的方式来重新制备器件。如图4A所示，当回收PM6材料占比活性层中给体成分的5%-20%时，新制器件的性能与原始器件性能相当。随后，作者综合利用回收的基底、电极、活性层材料来制备PM6:Y6器件，新制器件的效率可与原始器件效率相媲美，证明了该回收协议的有效性和优越性。

图4 活性层材料回收再利用及器件制备。（A）基于原始Y6、不同比例原始和回收PM6的器件效率。（B）新制器件的结构和不同组分回收再利用的器件性能。（C）原始器件、老化器件及新制器件的J-V曲线。（D）原始器件、老化器件及新制器件效率值计数直方图。

基于上述结果，作者以单个封装的刚性组件为例，分析了工业场景下器件制备的主要组分材料成本。在该回收协议中，银电极和导电基底实现了接近100%的回收率。另外，回收活性层材料PM6和Y6的回收率分别约为84.2%和73.5%。此外，结合回收收益以及回收过程中的成本支出，该回收方案可在工业生产场景中节省14.24美元/平方米。

图5 工业场景中回收再利用OPV组件主要组分材料的价值分析。（A）工业场景中OPV组件的材料成本明细。（B）封装OPV组件中9个组分材料的回收价值及回收率。（C）左图为相关成本，包括新鲜组件的制备成本、回收组分的价值以及回收过程中的支出成本；右图为各组分的回收收益。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请论文通讯作者闵杰教授进行了专访，请他为大家做进一步的深入解读。

CellPress：

为验证ITO基底的再利用性，本文采用了多种测试方法和指标。请问闵杰教授，选择这些测试方法和指标的依据有哪些？文中形成的判定依据是否有向标准化方向转化的计划？

闵杰教授：

针对ITO基底的再利用性评估，选择测试方法和指标的主要依据是根据OPV器件对基底材料性能指标要求。主要考量以下几个方面：（1）适用性：测试方法和指标应适用于ITO基底的特性和使用场景。例如，ITO基底用于透明导电电极，因此电导率和透过率是关键指标。（2）特殊性：对于OPV器件而言，ITO基底的平整性和表面电阻对器件性能有较大的影响，需要检测在回收过程是否受损。测试手段如：表面形貌测试、元素分析以及阻值等。（3）可靠性和科学性：参考现有行业标准和规范，测试方法必须能够在不同条件下重复得到一致的结果，以确保结果的可信度和可靠性。

对于文中形成的判定依据，有向标准化方向转化的计划。但是，在实现正式转化前，我们还需要通过大量实验数据验证这些方法和指标在不同实验室和应用场景中的普适性和稳定性，并邀请科研界和工业界领域专家对研究结果进行评估和分析，收集反馈意见。这些工作之后，可制定初步的标准草案。

CellPress：

在研究OPV设备的回收过程中，本文采用了超声波分离技术。该技术在不同溶剂中的表现如何？在选择溶剂时的依据是什么？

闵杰教授：

除甲苯以外，其他一些溶剂（如氯仿、氯苯、四氢呋喃等）在超声波分离技术中也表现出良好的适用性。不同溶剂的表现通常通过以下几个方面进行评估：溶解性、分离效果、材料的完整性以及溶剂毒性和损耗。在相同效果的情况下，基于未来大规模应用过程中的安全性和环保性，应选择对环境友好且安全的溶剂，以减少对操作人员的健康风险和环境污染。

CellPress：

在探讨未来OPV材料的发展方向时，本文提到了目前所面临的问题以及解决方案。请闵杰教授结合您的经验，论述未来的OPV材料会面临主要挑战。本文所提出的回收解决方案，将对产业界和研究界将会带来怎样的影响？

闵杰教授：

结合我的经验，未来OPV材料的发展面临的挑战主要挑战包括：（1）材料自身稳定性：OPV材料自身稳定性相较于无机光伏材料较低，容易受到光、热和氧的影响。需要开发更稳定的材料结构，并进一步优化加工工艺和封装技术；（2）制造成本：虽然OPV材料在制造过程中相对简单，但要实现大规模商业化，需设计具有简单结构的OPV材料，简化合成路线，降低材料合成成本和纯化工艺。

由于本人对光伏产业领域的发展理解有限，这里只能提出一些可能的影响，仅供参考：（1）提高材料利用率：有效的回收技术可以提高材料的利用率，降低生产成本，提升经济效益。对产业界来说，这将有助于提高竞争力；（2）推动绿色环保发展：通过回收解决方案，减少废弃OPV材料对环境的影响，促进可持续发展。这将提升OPV技术在绿色能源领域的认可度和应用前景；（3）促进技术创新：回收解决方案的提出和实施，将推动研究界在材料科学、化学工艺和工程技术方面的创新，促使开发出更高效、更稳定和更易回收的OPV材料。另外，在本文中，我们也针对性地提出了一些启示，感兴趣的读者可以看看原文。感谢。

作者介绍

闵杰

教授

闵杰，武汉大学教授，博士生导师，国家高层次青年人才，主要从事有机光电材料与器件领域的研究，近五年以通讯作者在Nat. Energy、Nat. Commun.、Joule、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.等期刊发表SCI论文100余篇，论文总引用17000余次，H指数71，担任Energy Reviews和Macromolecule期刊编委，2022-2023年度入选科睿唯安高被引科学家，申请中国发明专利11项，参编英文书籍2部。

更多个人信息与课题组信息，请访问：https://jiemin.whu.edu.cn/index.htm

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研究成果发表在Cell Press旗下Joule期刊上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

▌论文标题：

Cost-Efficient Recycling of Organic Photovoltaic Devices

▌论文网址：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S254243512400254X

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.06.006

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