有机小分子太阳能电池稳定性及老化机理的研究

High efficiency, long lifetime, and low cost are three key parameters for commercialization of organic photovoltaic cells (OPVs). Although the efficiency of OPVs has approached commercialization, stability becomes the pillar of solar cell technology, which needs to be addressed urgently. To increase the reliability and understand the degradation mechanism, we optimize the materials system and device structures and develop theories of fundamental degradation based on the study of exciton energy transferring process, carrier transferring process and interfacial properties of heterojunction structures. Four aspects are mainly focused on in this project:.(1) To investigate the photostability of small-molecule organic photovoltaics and exciton energy transfer theory;.(2) To study the thermostability of small-molecule organic photovoltaics and carrier transfer theory; .(3) To investigate the effect of interface stability of active layer and electrode on photovoltaic performance;.(4) To study the effect of operating load conditions on photovoltaic performance..

高效率、高稳定性以及低成本是实现有机太阳能电池（OPVs）商业化的三个关键因素，目前器件效率已经接近产业化的要求，寿命成为限制器件进入市场的一个重要因素，是目前亟待解决的一个科学问题。针对目前器件稳定性不高、老化机理不够清楚的问题，本项目拟通过有机功能层材料和异质结结构优化来提高器件的稳定性，并从激子能量传递过程、载流子传递过程以及异质结界面特性等方面开展理论基础研究，揭示有机太阳能电池的老化机理，探讨提高器件稳定性的方法，实现长寿命的OPV器件，包括：1、基于有机功能层材料的光稳定性对器件激子能量传递理论影响的研究；2、基于有机功能层材料的热稳定性以及载流子传输特性的研究；3、有机功能层-电极界面的稳定性及对器件光伏性能影响机理的研究；4、负载条件对器件光伏性能稳定性影响机理的研究。

有机太阳能电池由于具有柔性、质轻、制备工艺简单和易于大面积成膜等突出优点，是非常有潜力的下一代可再生能源。目前有机太阳能电池的效率已经超过12%，接近产业化的要求，但是其稳定性还较差，寿命有待于进一步提高。有机太阳能电池的老化主要出现在有机功能层和电极中，本项目主要通过连续光照加速老化研究了有机功能层材料的光致褪色反应、光致氧化反应等，阐明了其对器件光伏稳定性的影响机理，并且研究了器件结构设计对器件稳定性的影响，获得了长寿命的有机太阳能电池。.(1) 针对目前常用的有机小分子材料SubPc、DPSQ存在的光致褪色反应导致器件性能降低的问题，研究了不同给体材料的光照稳定性，获得了光稳定性高的给体材料，其中DBP材料光照2000 h吸收光谱完全不变。.(2) 针对富勒烯材料存在的光致聚合反应，通过研究光照波长对薄膜稳定性的影响，发现富勒烯材料的光致聚合是其本征衰退。当采用富勒烯衍生物作为受体材料时，虽然可以抑制其光致聚合反应，但是其光致氧化反应仍会导致器件开路电压降低，引起器件性能衰退。因此，要提高有机太阳能电池的寿命，需要进一步展开对非富勒烯材料稳定性的研究。.(3) 通过界面调控和器件结构设计，研究了器件结构对器件稳定性的影响，采用优化的材料体系和体异质结结构，使器件寿命提高了2倍以上。.(4) 开发新型有机-无机杂化钙钛矿材料，发现具有多量子阱结构的钙钛矿材料具有较好的光电稳定性。此外，通过共聚焦荧光显微镜表征，发现三维钙钛矿的衰退从晶粒边缘开始，要提高薄膜的稳定性，需要增大晶粒尺寸。.本项目在Nature Photonics、Advanced Materials等高水平杂志发表SCI论文10篇，申请中国发明专利7项、国际发明专利1项，培养研究生3名。