蘇州納米所印刷薄膜光伏實驗室Nature Energy：有機光伏電池濕熱和冷熱循環(huán)極端環(huán)境穩(wěn)定性研究取得突破
有機太陽光伏電池（OPV）因其質(zhì)輕、柔性、可溶液加工等獨特優(yōu)勢，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器件的長期運行穩(wěn)定性，尤其是在嚴苛環(huán)境（如高溫高濕、冷熱交替循環(huán)）下的可靠性，尚未得到充分驗證。隨著有機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（Molecules28,6856 (2023)，Chem. Eng. J.503,158694 (2025)，ACS Appl. Mater. Interfaces17,15456-15467 (2025) ），中國科學(xué)院蘇州納米所印刷薄膜光伏實驗室針對有機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)三個方面同步優(yōu)化的系統(tǒng)解決策略（圖1），首次實現(xiàn)高效率有機光伏電池在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，證實了高效有機光伏電池的濕熱及冷熱循環(huán)可靠性。
圖1：有機太陽能電池穩(wěn)定性策略。
對于提升OPV器件有機半導(dǎo)體材料本征穩(wěn)定性而言，首先如何準確表征有機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。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。然而，傳統(tǒng)的聚合物Tg量熱測試方法并不適用于共混薄膜的熱穩(wěn)定性表征。研究團隊在現(xiàn)有的共混薄膜吸收光譜溫度依賴性測試方法的基礎(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，實現(xiàn)快速、定量地表征共混薄膜長時間熱穩(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，研究團隊發(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)計高穩(wěn)定OPV器件提供了普適性方法（圖2）。
圖2：有機光伏聚合物共混膜熱穩(wěn)定性分析。
在定量表征有機共混薄膜微觀形貌熱穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，研究團隊細致研究了高效率倒置結(jié)構(gòu)有機薄膜光伏電池的熱穩(wěn)定性。對比研究發(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，所制備的有機光伏電池器件獲得了優(yōu)異的長時高溫（85 oC及150 oC）穩(wěn)定性（圖3）。
圖3：有機太陽能電池熱衰減和界面保護。
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現(xiàn)有機薄膜光伏電池長時間環(huán)境可靠性的保障。針對空氣中穩(wěn)定性與水汽滲透動力學(xué)關(guān)系問題，研究團隊通過建立水汽經(jīng)由垂直邊緣的一維擴散以及延對角線的二維擴散動力學(xué)方程，首次定量解析二維擴散速率與一維擴散速率，發(fā)現(xiàn)二維擴散是邊緣一維擴散的1.54倍（圖4）。同時，建立了水汽通過封裝側(cè)面沿封裝膠擴散和通過膠層/基底接觸面擴散，這兩種不同路徑下的擴散動力學(xué)方程，從而精確量化出封裝側(cè)面水汽擴散路徑比例。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)計與優(yōu)化。
圖4：封裝層水汽側(cè)面擴散機理。
在封裝模型指導(dǎo)下，團隊構(gòu)建了基于鋁箔丁基膠帶的封裝結(jié)構(gòu)，封裝后的有機光伏電池在嚴苛的濕熱測試（85°C/85% RH,1032小時）和熱循環(huán)測試（-40℃至85°C,200次）后，效率保持率均高達94%以上（圖5）。本工作獲得的穩(wěn)定性結(jié)果是當前高效率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展（圖6），該研究突破了高效率有機光伏電池的穩(wěn)定性發(fā)展瓶頸，不僅證實了OPV具備優(yōu)異的環(huán)境可靠性，更為提升有機光伏電池在嚴苛環(huán)境下的穩(wěn)定性提供了堅實的科學(xué)技術(shù)依據(jù)和具體的實施策略。
圖5：倒置有機太陽能電池封裝和穩(wěn)定性測試。
圖6：有機太陽能電池穩(wěn)定性統(tǒng)計與對比。
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》。中國科學(xué)院蘇州納米所博士生秦健為論文第一作者，馬昌期研究員與駱群研究員為通訊作者。研究獲得了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院特別研究助理項目等資助，并得到中國科學(xué)院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實驗站的支持。
附件下載：
