【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】有機(jī)太陽(yáng)光伏電池(OPV)因其質(zhì)輕、柔性、可溶液加工等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在近太空、建筑一體化、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。然而，相較于晶硅電池，OPV器件的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性，尤其是在嚴(yán)苛環(huán)境(如高溫高濕、冷熱交替循環(huán))下的可靠性，尚未得到充分驗(yàn)證。隨著有機(jī)光伏電池效率的逐步提升，提升器件的本征與環(huán)境穩(wěn)定性是亟待解決的重大問題。在前期OPV穩(wěn)定性研究工作積累的基礎(chǔ)上(Materials Advances1, 1307 (2020),Molecules28,6856 (2023)，Chem. Eng. J.503,158694 (2025)，ACS Appl. Mater. Interfaces17,15456 (2025) )，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)納米技術(shù)與納米仿生學(xué)院(蘇州納米所)印刷薄膜光伏實(shí)驗(yàn)室針對(duì)有機(jī)光伏電池濕熱和冷熱循環(huán)極端環(huán)境穩(wěn)定性提升需求，提出了從材料本征熱穩(wěn)定性篩選、器件功能界面優(yōu)化、器件封裝方法開發(fā)三個(gè)方面同步優(yōu)化的系統(tǒng)解決策略，首次實(shí)現(xiàn)高效率有機(jī)光伏電池在85℃/85%RH濕熱條件以及-40℃至85℃的熱循環(huán)條件下的優(yōu)異穩(wěn)定性結(jié)果(圖1)，證實(shí)了高效有機(jī)光伏電池的濕熱及冷熱循環(huán)可靠性。
 

　　對(duì)于提升OPV器件有機(jī)半導(dǎo)體材料本征穩(wěn)定性而言，首先如何準(zhǔn)確表征有機(jī)光伏電池共混薄膜的微觀形貌熱穩(wěn)定性并揭示其與器件穩(wěn)定性的關(guān)聯(lián)關(guān)系是領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)難點(diǎn)。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)被視為表征聚合物熱穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。然而，傳統(tǒng)的聚合物Tg量熱測(cè)試方法并不適用于共混薄膜的熱穩(wěn)定性表征。研究團(tuán)隊(duì)在現(xiàn)有的共混薄膜吸收光譜溫度依賴性測(cè)試方法的基礎(chǔ)上，提出了基于紫外可見光吸收光譜變化曲線微分得到的吸收變化的起始溫度(Tonset)作為表征活性層微觀形態(tài)熱轉(zhuǎn)變的新方法，實(shí)現(xiàn)快速、定量地表征共混薄膜長(zhǎng)時(shí)間熱穩(wěn)定性，并據(jù)此篩選出高熱穩(wěn)定性的給受體材料組合。利用該方法，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)交聯(lián)富勒烯摻雜可普遍并顯著提升共混薄膜的Tonset，這為從材料源頭設(shè)計(jì)高穩(wěn)定OPV器件提供了普適性方法。
 

　　在定量表征有機(jī)共混薄膜微觀形貌熱穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)細(xì)致研究了高效率倒置結(jié)構(gòu)有機(jī)薄膜光伏電池的熱穩(wěn)定性。對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，器件在受熱條件下的效率初始衰減“burn-in”主要源自于有機(jī)活性層與MoO3界面處的熱誘導(dǎo)界面失效；通過在活性層與MoO3之間插入C60中間層，有效緩解了界面副反應(yīng)，提升高效率有機(jī)光伏電池的熱穩(wěn)定性。結(jié)合使用交聯(lián)富勒烯摻雜三元體系，所制備的有機(jī)光伏電池器件獲得了優(yōu)異的長(zhǎng)時(shí)高溫(85ºC及150ºC)穩(wěn)定性。
 

　　在材料及器件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，有效可靠的封裝方法是實(shí)現(xiàn)有機(jī)薄膜光伏電池長(zhǎng)時(shí)間環(huán)境可靠性的保障。針對(duì)空氣中穩(wěn)定性與水汽滲透動(dòng)力學(xué)關(guān)系問題，研究團(tuán)隊(duì)通過建立水汽經(jīng)由垂直邊緣的一維擴(kuò)散以及延對(duì)角線的二維擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)方程，首次定量解析二維擴(kuò)散速率與一維擴(kuò)散速率，發(fā)現(xiàn)二維擴(kuò)散是邊緣一維擴(kuò)散的1.54倍。同時(shí)，建立了水汽通過封裝側(cè)面沿封裝膠擴(kuò)散和通過膠層/基底接觸面擴(kuò)散，這兩種不同路徑下的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)方程，從而精確量化出封裝側(cè)面水汽擴(kuò)散路徑比例。該側(cè)面封裝水汽滲透模型有效地指導(dǎo)了封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化。
 

　　在封裝模型指導(dǎo)下，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了基于鋁箔丁基膠帶的封裝結(jié)構(gòu)，封裝后的有機(jī)光伏電池在嚴(yán)苛的濕熱測(cè)試(85°C/85% RH,1032小時(shí))和熱循環(huán)測(cè)試(-40℃至85°C,200次)后，效率保持率均高達(dá)94%以上。本工作獲得的穩(wěn)定性結(jié)果是當(dāng)前高效率OPV器件在濕熱以及冷熱循環(huán)極端環(huán)境下可靠性方面的重大進(jìn)展，該研究突破了高效率有機(jī)光伏電池的穩(wěn)定性發(fā)展瓶頸，不僅證實(shí)了OPV具備優(yōu)異的環(huán)境可靠性，更為提升有機(jī)光伏電池在嚴(yán)苛環(huán)境下的穩(wěn)定性提供了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)技術(shù)依據(jù)和具體的實(shí)施策略。
 

　　上述研究成果以Improved damp heat and thermal cycling stability of organic solar cells為題發(fā)表于《自然·能源》。文章以中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)納米技術(shù)與納米仿生學(xué)院為第一署名單位，第一作者是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)2023級(jí)博士生秦健，通訊作者為馬昌期研究員與駱群研究員。研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院特別研究助理項(xiàng)目等資助，并得到中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站的支持。