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室內(nèi)外穩(wěn)定性相當(dāng)?shù)木酆衔锾?yáng)能電池

來(lái)源: X-MOL 2017-06-26 11:49:54

基于有機(jī)半導(dǎo)體活性層的太陽(yáng)能電池器件得到廣泛的研究開(kāi)發(fā)。近幾年來(lái)，科學(xué)家成功設(shè)計(jì)合成了一系列新型材料以及在器件加工工藝方面的優(yōu)化，富勒烯光伏器件（OPVs）已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高達(dá)11%的器件光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）；而非富勒烯OPVs的PCE則可高達(dá)13%。然而，有機(jī)太陽(yáng)能電池要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化僅PCE高是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要不斷減小加工成本以及延長(zhǎng)器件壽命。科學(xué)家們已經(jīng)在卷對(duì)卷、大面積、低成本方面做出一些創(chuàng)新性工作。但是提高穩(wěn)定性也是實(shí)現(xiàn)商業(yè)化不容忽視的一個(gè)關(guān)鍵因素。

近日，英國(guó)謝菲爾德大學(xué)David G. Lidzey教授課題組選用PFDT2BT-8作為給體材料，與PC71BM混合制備OPV器件，得到6%的PCE。隨后在室外和室內(nèi)條件下進(jìn)行了器件的穩(wěn)定性測(cè)試，并分析了器件穩(wěn)定性的影響因素。

他們分別將器件暴露在實(shí)驗(yàn)室條件（1000 W/m2輻射，> 650 h）和室外條件（平均輻射強(qiáng)度在AM 1.5的10%左右，> 12,000 h），測(cè)試了包封器件PFDT2BT-8:PC71BM的穩(wěn)定性，并且分別測(cè)得室外測(cè)試條件下的器件起止的J-V曲線

從室外測(cè)試的器件數(shù)據(jù)可以看出，從開(kāi)始到1,450 h時(shí)器件效率下降了38%，這是由于器件的老化造成的。之后老化速度明顯減緩。并且PCE的波動(dòng)與短路電流密度（Jsc）、開(kāi)路電壓（Voc）和填充因子（FF）的變化有關(guān)。作者發(fā)現(xiàn)一個(gè)很有趣的現(xiàn)象：在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)FF降低，而用增加的Voc 作為補(bǔ)償，從而使最終的PCE能保持在一定范圍內(nèi)。Jsc 的波動(dòng)則與載流子的遷移率以及溫度有關(guān)。

通過(guò)室外測(cè)試作者發(fā)現(xiàn)器件效率的增加與溫度的增加有關(guān)，但是當(dāng)溫度超過(guò)40 ℃時(shí)，PCE會(huì)下降。并且作者認(rèn)為器件PCE的降低還與輻射增強(qiáng)有關(guān)。

為了研究器件老化在可控條件下的變化，作者還用在室內(nèi)條件下做了穩(wěn)定性測(cè)試。從圖5可以看出在150 h內(nèi)由于自身固有的老化過(guò)程，器件效率下降了33%，之后器件效率保持在一個(gè)穩(wěn)定范圍內(nèi)。

作者還探究了室內(nèi)外以總吸收光譜能量數(shù)值與器件降解的聯(lián)系。很明顯看出，在兩組實(shí)驗(yàn)中，器件具有相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性。這表明降解過(guò)程與在活性層或者一個(gè)及兩個(gè)界面的次帶隙態(tài)的光致反應(yīng)相關(guān)。這種狀態(tài)提高能量無(wú)序化，而能量無(wú)序化會(huì)使得遷移率降低，增加復(fù)合，因此會(huì)降低器件的性能。

筆者以為，有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率固然重要，但是不能僅僅通過(guò)微調(diào)結(jié)構(gòu)“刷文章”，應(yīng)該把較大的精力集中于對(duì)工藝以及穩(wěn)定性的研究，這是邁向產(chǎn)業(yè)化的必經(jīng)之路。

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