埃爾朗根-紐倫堡大學Adv. Energy Mater.：通過光譜分辨加速老化分析揭示有機太陽能電池的光降解途徑

【導讀】

近年來，有機太陽能電池（OSC）的效率穩步提高，目前已接近20%的里程碑。雖然OSC的功率轉換效率（PCE）已足以用于商業應用，但有關設備長期穩定性的不確定性仍阻礙著該技術在市場上的廣泛推廣。最近，一些研究表明，當將合適的半導體與合適的界面材料和測試條件相結合時，OSC確實可以穩定數千個工作小時。最穩定的裝置與觀察到老化階段后出現非特異性緩慢降解動力學的典型報告之間的差異尚未得到澄清。雖然可能導致OSC降解的因素是眾所周知的，但這些因素背后的物理機制幾乎不為人所知。

【成果掠影】

近日，埃爾朗根-紐倫堡大學Thomas Heumüller教授提出了一種有機太陽能電池（OSC）穩定性測試方法，旨在為OSC退化模式的原因提供更獨特的見解。該方法涉及使用高輻射劑量的單色光來加速老化的降解機制，同時通過一系列原位穩態和瞬態電測量來監測設備。實驗結果伴隨著漂移擴散模擬，以定位降解路徑。對PM6:Y6基OSC進行了測試，實驗揭示了導致PM6:Y6層內陷阱態密度增加的降解機制。瞬態模擬表明，這些態是在PM6:Y6和電子傳輸層之間的界面處或周圍形成的。此外，還證明了照明波長對降解模式的驚人主導影響。相關成果以“Revealing Photodegradation Pathways of Organic Solar Cells by Spectrally Resolved Accelerated Lifetime Analysis”發表在Advanced Energy Materials上。

【核心創新點】

本研究展示了高強度和光譜選擇性降解是加速穩定性測試的最有前途的方法，并且有助于更快地開發穩定的OSC。

【數據概況】

圖1：退化測量的實驗結果。

a） 顯示了這些系統在SE*h上對于不同波長的PCE。b–e）指在8.1suns和457 nm下降解的樣品。b） 樣品的照片CELIV光譜。c） 樣品的J–V曲線。d） 光密度（OD）上TPV測量的電荷載流子壽命τ。e） Voc上的電荷載流子密度n，用CE測量并通過幾何電容減小。? 2022 The Authors? ?

圖2：不同參數變化的模擬照片CELIV和J–V曲線。

a） 活性層（AL）的Langevin復合系數在0.01和0.05之間的光電CELIV和J–V曲線。b） 電子傳輸層（ETL）附近20 nm AL內陷阱態密度增加的光電CELIV圖和J–V曲線。c） AL內部陷阱態密度增加的CELIV圖和J–V曲線。d） CELIV圖和J–V曲線顯示ETL內部陷阱態密度增加。e） AL的電子和空穴遷移率在10^?5和10^?3 cm² V^?1 s^?1之間的CELIV圖和J–V曲線。f） HTL內部陷阱態密度增加的CELIV圖和J–V曲線。當結合（a，c）的效果時，可以通過模擬再現圖1中的實驗結果。準歐姆行為的開始和尾部形成也可以在（b）中看到，但不像（c）中那樣明顯。? 2022 The Authors?

?圖3：ZnO ETL樣品降解測量的實驗結果。

（b，e）兩者均指在6.3 suns和457 nm下降解的樣品。a） 不同波長的ZnO系統在SE*h上的PCE。當λ≥590 nm時，沒有明顯的降解，但對于較短的波長，降解的波長依賴性效應明顯可見。b） 樣品的光CELIV光譜在6.3 suns（457nm）下降解。c） 用CE和CELIV圖測量兩個系統的設備容量。這些線顯示數據的線性擬合。d） 兩個系統在SE*h上的反應順序。這些線顯示數據的線性擬合。e） 樣品的J–V曲線。? 2022 The Authors

【成果啟示】

總之，在本文中提供了OSC退化與照明源光譜分布之間因果關系的證據。證明高能（藍光）照明導致了低能（黃光）照明下不存在的降解機制。詳細的穩態和瞬態聯合實驗和模擬方法能夠確定電荷阱的光誘導形成（可能與活性層的無意p摻雜相關）是光譜敏感退化的一個原因。該機制之前沒有被描述過，并且與選擇SnO₂作為電子傳遞層界面相關，這表明選擇電子傳遞層會嚴重影響降解動力學。通過使用可見光譜中黃色和紅色部分的低能量光子來操作電池，可以停止老化降解。這對于低帶隙OSC耦合到高帶隙鈣鈦礦半導體的長期穩定串聯配置的設計特別有意義。

參考文獻：Weitz P, Le Corre VM, Du X, et al. Revealing Photodegradation Pathways of Organic Solar Cells by Spectrally Resolved Accelerated Lifetime Analysis. Advanced Energy Materials 2022.

https://doi.org/10.1002/aenm.202202564

本文由春國供稿。