1.前言
目前,有機光伏(OPV)電池已經(jīng)取得了飛速的發(fā)展。然而,相關活性層材料在體異質(zhì)結(jié)(BHJ)中很容易降解和形態(tài)不穩(wěn)定。與基于C70受體的高穩(wěn)定性器件相比,最有效的非富勒烯受體(NFAs)含有多個噻吩單元,它們具有相對較弱的化學鍵,在高紫外光和紅外光強度下會有一定程度的離解,從而對最終的器件性能也有很大的影響。
除了BHJ中材料和形態(tài)的變化外,有機/電極界面的性質(zhì)也會隨著時間的推移影響電池的性能。雖然目前已經(jīng)提出了各種修改材料界面用以抑制降解的策略,但在模擬空氣質(zhì)量(AM)1.5G的照射下,長期穩(wěn)定的OPV電池尚未實現(xiàn),其中不穩(wěn)定性原因也還尚不明朗。因此,如何研究材料、薄膜形態(tài)、器件結(jié)構之間的相關性,以及延長OPV的壽命仍然具有重要意義。
圖1:分子結(jié)構、器件結(jié)構、光伏穩(wěn)定性
2.簡介
近日,美國密歇根大學Stephen R. Forrest教授研究團隊開發(fā)出一種溶液化處理的基于NFAs的OPV器件,同時實現(xiàn)了高效、低成本和顯著的操作穩(wěn)定性。事實上,該類OPV電池的不穩(wěn)定性源于BHJ和無機電荷傳輸層之間界面性質(zhì)隨時間變化。于是,研究人員通過在BHJ的每一側(cè)插入超薄保護緩沖層IC-SAM和C70,顯著抑制了上述變化,并且將簡單的ZnO UV濾光層集成到玻璃基板的遠側(cè)表面可以進一步增強這一效果。
圖2:GIWAXS表征和TEM圖像
研究結(jié)果顯示,基于PCE-10:BT-CIC的OPV器件可以在模擬1個太陽強度、AM 1.5G照射、55℃下,1900小時后效率仍能達到初始值的94%。此外,該器件暴露在高達27個太陽的光照強度和65°C的情況下會加速老化,并且降解速率隨強度呈線性增加,但沒有系統(tǒng)性的溫度依賴性,相應PCE比初始值減少20%,推算出T80大于56000小時,這相當于30年的戶外運行壽命。
圖3.老化加速因子和OPV壽命推測
3.總結(jié)
綜上,該工作為提高OPV器件穩(wěn)定性和使用壽命開發(fā)出一種新的方法,有利于促進OPV電池的市場應用。相關研究成果現(xiàn)已發(fā)表在國際頂級期刊《Nature Communications》上,題為“Non-fullerene acceptor organic photovoltaics with intrinsic operational lifetimes over 30 years”。
4.材料
PCE-10:1469791-66-9
C60-SAM:631918-72-4