室內外穩定性相當的聚合物太陽能電池

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基於有機半導體活性層的太陽能電池器件得到廣泛的研究開發。近幾年來，科學家成功設計合成了一系列新型材料以及在器件加工工藝方面的優化，富勒烯光伏器件（OPVs）已經實現高達11%的器件光電轉換效率（PCE）；而非富勒烯OPVs的PCE則可高達13%。然而，有機太陽能電池要實現商業化僅PCE高是遠遠不夠的，還需要不斷減小加工成本以及延長器件壽命。科學家們已經在卷對卷、大面積、低成本方面做出一些創新性工作。但是提高穩定性也是實現商業化不容忽視的一個關鍵因素。

近日，英國謝菲爾德大學David G. Lidzey教授課題組選用PFDT2BT-8（如圖1）作為給體材料，與PC71BM混合製備OPV器件，得到6%的PCE。隨後在室外和室內條件下進行了器件的穩定性測試，並分析了器件穩定性的影響因素。

圖1. （a）PFDT2BT-8 和PC71BM分子結構式；（b）器件結構示意圖；（c）OPV器件照片。圖片來源：Sci. Rep.

他們分別將器件暴露在實驗室條件（1000 W/m2輻射，> 650 h）和室外條件（平均輻射強度在AM 1.5的10%左右，> 12,000 h），測試了包封器件PFDT2BT-8:PC71BM的穩定性，並且分別測得室外測試條件下的器件起止的J-V曲線（如圖2）。

圖2. 測試起始和最終的J-V曲線。圖片來源：Sci. Rep.

從室外測試的器件數據（圖3）可以看出，從開始到1,450 h時器件效率下降了38%，這是由於器件的老化造成的。之後老化速度明顯減緩。並且PCE的波動與短路電流密度（Jsc）、開路電壓（Voc）和填充因子（FF）的變化有關。作者發現一個很有趣的現象：在很長一段時間內FF降低，而用增加的Voc作為補償，從而使最終的PCE能保持在一定範圍內。Jsc的波動則與載流子的遷移率以及溫度有關。

圖3. 在室外測試系統中器件效率隨時間的變化。圖片來源：Sci. Rep.

通過室外測試作者發現器件效率的增加與溫度的增加有關，但是當溫度超過40 ℃時，PCE會下降。並且作者認為器件PCE的降低還與輻射增強有關（圖4）。

圖4. 溫度和輻射強度季節性的變化。圖片來源：Sci. Rep.

為了研究器件老化在可控條件下的變化，作者還用在室內條件下做了穩定性測試。從圖5可以看出在150 h內由於自身固有的老化過程，器件效率下降了33%，之後器件效率保持在一個穩定範圍內。

圖5. 室內加速測試系統下的器件效率變化示意圖。圖片來源：Sci. Rep.

作者還探究了室內外以總吸收光譜能量數值與器件降解的聯繫。很明顯看出，在兩組實驗中，器件具有相當的穩定性。這表明降解過程與在活性層或者一個及兩個界面的次帶隙態的光致反應相關。這種狀態提高能量無序化，而能量無序化會使得遷移率降低，增加複合，因此會降低器件的性能。

圖6. 總吸收光譜能量與室內外降解的關係。圖片來源：Sci. Rep.

筆者以為，有機太陽能電池的光電轉換效率固然重要，但是不能僅僅通過微調結構「刷文章」，應該把較大的精力集中於對工藝以及穩定性的研究，這是邁向產業化的必經之路。

Comparative indoor and outdoor stability measurements of polymer based solar cells

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