室内外稳定性相当的聚合物太阳能电池

基于有机半导体活性层的太阳能电池器件得到广泛的研究开发。近几年来，科学家成功设计合成了一系列新型材料以及在器件加工工艺方面的优化，富勒烯光伏器件（OPVs）已经实现高达11%的器件光电转换效率（PCE）；而非富勒烯OPVs的PCE则可高达13%。然而，有机太阳能电池要实现商业化仅PCE高是远远不够的，还需要不断减小加工成本以及延长器件寿命。科学家们已经在卷对卷、大面积、低成本方面做出一些创新性工作。但是提高稳定性也是实现商业化不容忽视的一个关键因素。

近日，英国谢菲尔德大学David G. Lidzey教授课题组选用PFDT2BT-8（如图1）作为给体材料，与PC₇₁BM混合制备OPV器件，得到6%的PCE。随后在室外和室内条件下进行了器件的稳定性测试，并分析了器件稳定性的影响因素。

图1. （a）PFDT2BT-8 和PC₇₁BM分子结构式；（b）器件结构示意图；（c）OPV器件照片。图片来源：Sci. Rep.

他们分别将器件暴露在实验室条件（1000 W/m²辐射，> 650 h）和室外条件（平均辐射强度在AM 1.5的10%左右，> 12,000 h），测试了包封器件PFDT2BT-8:PC₇₁BM的稳定性，并且分别测得室外测试条件下的器件起止的J-V曲线（如图2）。

图2. 测试起始和最终的J-V曲线。图片来源：Sci. Rep.

从室外测试的器件数据（图3）可以看出，从开始到1,450 h时器件效率下降了38%，这是由于器件的老化造成的。之后老化速度明显减缓。并且PCE的波动与短路电流密度（J_sc）、开路电压（V_oc）和填充因子（FF）的变化有关。作者发现一个很有趣的现象：在很长一段时间内FF降低，而用增加的V_oc 作为补偿，从而使最终的PCE能保持在一定范围内。J_sc 的波动则与载流子的迁移率以及温度有关。

图3. 在室外测试系统中器件效率随时间的变化。图片来源：Sci. Rep.

通过室外测试作者发现器件效率的增加与温度的增加有关，但是当温度超过40 ℃时，PCE会下降。并且作者认为器件PCE的降低还与辐射增强有关（图4）。

图4. 温度和辐射强度季节性的变化。图片来源：Sci. Rep.

为了研究器件老化在可控条件下的变化，作者还用在室内条件下做了稳定性测试。从图5可以看出在150 h内由于自身固有的老化过程，器件效率下降了33%，之后器件效率保持在一个稳定范围内。

图5. 室内加速测试系统下的器件效率变化示意图。图片来源：Sci. Rep.

作者还探究了室内外以总吸收光谱能量数值与器件降解的联系。很明显看出，在两组实验中，器件具有相当的稳定性。这表明降解过程与在活性层或者一个及两个界面的次带隙态的光致反应相关。这种状态提高能量无序化，而能量无序化会使得迁移率降低，增加复合，因此会降低器件的性能。

图6. 总吸收光谱能量与室内外降解的关系。图片来源：Sci. Rep.

笔者以为，有机太阳能电池的光电转换效率固然重要，但是不能仅仅通过微调结构“刷文章”，应该把较大的精力集中于对工艺以及稳定性的研究，这是迈向产业化的必经之路。

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Comparative indoor and outdoor stability measurements of polymer based solar cells

Sci. Rep., 2017, 7, 1305, DOI: 10.1038/s41598-017-01505-w