使用QUV老化試驗箱研究有機太陽能電池的老化

一．簡介

有機太陽能電池（OSCs）在不同條件下的穩定性存在一些限製，因為作為活性層的有機材料在外部因素的影響下會發生一些降解過程。由此產生的降解會改變光伏電池的物理特性，導致電池的電性能下降，如(PCE)、開路電壓(Voc)、短路電流密度(Jsc)和Fll因子(FF)。

二.材料和測試

1.材料

在這項研究中，我們使用了Infnity OPV製造商提供的有機太陽能電池的封裝樣品（80×110 mm2 尺寸) (圖1a），這些樣品是在常溫卷對卷（R2R）印刷中製備的。

圖1 a為有機太陽能電池，b為安裝在QUV樣品架上的太陽能電池樣品，c為QUV樣品架背麵

表1：太陽能電池樣品參數

2.測試

QUV加速老化試驗箱可用於不同的氣候條件下進行真實的老化，如紫外線照射、溫度、濕度、黑暗和噴淋。使用QUV電池在各種老化條件下進行了1080小時的長期老化實驗。電池樣品被放在如圖1b、c所示的樣品架上（樣品架的兩個麵），然後用UVA-340燈照射。UVA-340燈代表了接近真實太陽光的特性。OSC樣品被放置在QUV老化試驗箱中測試1080小時，一共45個老化測試周期，測試紫外線照射、溫度、噴霧、冷凝和黑暗對太陽能電池的綜合影響。老化周期的持續時間為24小時，分為以下幾個步驟：在第一步，樣品被紫外線照射8小時，試驗箱保持室溫在50℃。然後，噴淋樣品5分鍾，接著在50℃下冷凝樣品4小時（濕度產生）。最後，樣品在黑暗中保持12小時（試驗室的溫度降低到30℃）。

圖2：UVA -340燈管波長

樣品的輻照是可控的，老化過程是在三個水平的紫外線輻照下進行的（0.83 W/m²、1.20 W/m²和1.30 W/m²），溫度為50℃。每個案例的老化時間為1080小時。每15個周期後取下樣品並記錄其表征變化，以研究老化時間對OSC不同性能的影響。

三.結論

1 導電性能的退化

所進行的QUV老化測試方案受到了同時存在的氣候條件的影響。它可以被認為比苛刻的ISOS協議（ISOSL3）更有害。樣品的降解以快速的方式發生。

在每15個測試周期（實際上是360小時）之後，記錄OSC的J-V特性，並在圖3a-c中顯示不同的紫外線照射劑量的情況。在老化測試之前，J-V特性呈現出OSC的典型特征，其不同的參數主要是最大功率點（MPP）。在不同的輻照劑量下老化後，曲線的形狀發生了變化，樣品的矯正性能完全喪失。還可以觀察到Voc、Jsc和FF的明顯下降，這意味著OSC不同部分在QUV紫外老化箱中發生了嚴重的批量退化，Benatto等人在ISOSD-3和ISOS-L-3老化條件下對PEDOT:PSS背電極樣品觀察到了同樣的行為，Tromholt等人在研究溫度和太陽光濃度對有機光伏太陽能電池的影響時對PEDOT:PSS/Ag-grid背電極進行了觀察，結果相同。此外，眾所周知，OSCs的降解可以通過外在因素（如水和氧氣）和內在因素（如高溫）進行監測。

與高溫有關的內在因素被命名為OSCs層界麵上的熱擴散，可以導致BHJ內部結構的形態演變。紫外光也會加速降解。

由於PCE呈現OSC的最重要特征，其隨老化時間的演變給出了OSC質量的良好圖像。對於不同的紫外線照射濃度，根據老化時間的PCE的標準化值繪製在下圖中。非常清楚的是，對於所有的紫外線照射濃度，PCE隨著老化時間的延長而降低。

PCE的下降遵循典型的OSCs退化曲線，通常經曆最初的快速老化階段，然後是更穩定的階段。此外，由於開始時的快速老化速度，PCE的快速降低是在老化的第一個15個循環(老化的第一個360小時)中完成的。在這個階段，OSC幾乎喪失了PCE特征。事實上，在QUV老化試驗箱中以0.83 W/m²老化的情況下 ，PCE從100%下降到16%(即它損失了84%的 其初始值)，並且在以1.2 W/m²和1.30 W/m²老化的情況下，它實際上損失了其初始值的93%。 OSCs性能的快速退化受到老化期間每個樣品經曆的循環氣候條件(紫外線照射、噴霧、濕度和黑暗)的影響。接下來的30個周期(剩餘的720小時老化)的特征是PCE變化中的穩定階段。在此階段，PCE略有下降，在0.83 W/m²下老化720 h期間僅下降12.3%。然而，在1.2 W/m²下老化的情況下，PCE值保持恒定，並且在整個老化期間，在1.3 W/m²下老化的情況下呈現3.7%的輕微下降。

3.2氣泡缺陷的形成和顏色變化

另一個方麵是隨著在QUV紫外老化試驗箱中進行老化測試時間的推移，OSCs產生氣泡狀和顏色發生變化(下圖)。我們的結果證實了Benatto等人的一些早期發現，即研究不同老化方案對銀柵背電極模塊的影響。他們發現氣泡的形成隻發生在ISOSL-2和ISOS-L-3協議下。

與其他老化測試方案相反，這兩個協議呈現了光照、濕度和溫度的影響,表明這三個參數的存在是氣泡形成的主要原因。從圖8中可以清楚地看出，對於所有的紫外線輻射劑量，在第15次老化循環(第360小時)後，在以0.83 W/m2老化的情況下，出現了少量的氣泡，而在其它老化條件下，出現了更多的氣泡。

隨著老化測試時間的延長，氣泡的數量越來越多，尺寸越來越大，越來越深。此外，還已經注意到，在15次老化循環後，氣泡的形成在柵格周圍開始，並且在1080小時老化後，擴散到樣品的所有表麵上，尤其是在1.30 W/m²的UV輻射劑量下。氣泡周圍的區域變得不活躍，導致光電流部分減少，這是由Benatto等人用光束感應電流(LBIC)成像證實的。