使用QUV老化試驗(yàn)箱研究有機(jī)太陽能電池的老化

一．簡介

有機(jī)太陽能電池（OSCs）在不同條件下的穩(wěn)定性存在一些限制，因?yàn)樽鳛榛钚詫拥挠袡C(jī)材料在外部因素的影響下會(huì)發(fā)生一些降解過程。由此產(chǎn)生的降解會(huì)改變光伏電池的物理特性，導(dǎo)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(xiàng)研究中，我們使用了Infnity OPV制造商提供的有機(jī)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）印刷中制備的。

圖1 a為有機(jī)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樣品架背面

表1：太陽能電池樣品參數(shù)

2.測試

QUV加速老化試驗(yàn)箱可用于不同的氣候條件下進(jìn)行真實(shí)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(jìn)行了1080小時(shí)的長期老化實(shí)驗(yàn)。電池樣品被放在如圖1b、c所示的樣品架上（樣品架的兩個(gè)面），然后用UVA-340燈照射。UVA-340燈代表了接近真實(shí)太陽光的特性。OSC樣品被放置在QUV老化試驗(yàn)箱中測試1080小時(shí)，一共45個(gè)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(xù)時(shí)間為24小時(shí)，分為以下幾個(gè)步驟：在第一步，樣品被紫外線照射8小時(shí)，試驗(yàn)箱保持室溫在50℃。然后，噴淋樣品5分鐘，接著在50℃下冷凝樣品4小時(shí)（濕度產(chǎn)生）。最后，樣品在黑暗中保持12小時(shí)（試驗(yàn)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(gè)水平的紫外線輻照下進(jìn)行的（0.83 W/m²、1.20 W/m²和1.30 W/m²），溫度為50℃。每個(gè)案例的老化時(shí)間為1080小時(shí)。每15個(gè)周期后取下樣品并記錄其表征變化，以研究老化時(shí)間對OSC不同性能的影響。

三.結(jié)論

1 導(dǎo)電性能的退化

所進(jìn)行的QUV老化測試方案受到了同時(shí)存在的氣候條件的影響。它可以被認(rèn)為比苛刻的ISOS協(xié)議（ISOSL3）更有害。樣品的降解以快速的方式發(fā)生。

在每15個(gè)測試周期（實(shí)際上是360小時(shí)）之后，記錄OSC的J-V特性，并在圖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(xiàn)出OSC的典型特征，其不同的參數(shù)主要是最大功率點(diǎn)（MPP）。在不同的輻照劑量下老化后，曲線的形狀發(fā)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(fā)生了嚴(yán)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(jī)光伏太陽能電池的影響時(shí)對PEDOT:PSS/Ag-grid背電極進(jìn)行了觀察，結(jié)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(nèi)在因素（如高溫）進(jìn)行監(jiān)測。

與高溫有關(guān)的內(nèi)在因素被命名為OSCs層界面上的熱擴(kuò)散，可以導(dǎo)致BHJ內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形態(tài)演變。紫外光也會(huì)加速降解。

由于PCE呈現(xiàn)OSC的最重要特征，其隨老化時(shí)間的演變給出了OSC質(zhì)量的良好圖像。對于不同的紫外線照射濃度，根據(jù)老化時(shí)間的PCE的標(biāo)準(zhǔn)化值繪制在下圖中。非常清楚的是，對于所有的紫外線照射濃度，PCE隨著老化時(shí)間的延長而降低。

PCE的下降遵循典型的OSCs退化曲線，通常經(jīng)歷最初的快速老化階段，然后是更穩(wěn)定的階段。此外，由于開始時(shí)的快速老化速度，PCE的快速降低是在老化的第一個(gè)15個(gè)循環(huán)(老化的第一個(gè)360小時(shí))中完成的。在這個(gè)階段，OSC幾乎喪失了PCE特征。事實(shí)上，在QUV老化試驗(yàn)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)，并且在以1.2 W/m²和1.30 W/m²老化的情況下，它實(shí)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(gè)樣品經(jīng)歷的循環(huán)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(gè)周期(剩余的720小時(shí)老化)的特征是PCE變化中的穩(wěn)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，并且在整個(gè)老化期間，在1.3 W/m²下老化的情況下呈現(xiàn)3.7%的輕微下降。

3.2氣泡缺陷的形成和顏色變化

另一個(gè)方面是隨著在QUV紫外老化試驗(yàn)箱中進(jìn)行老化測試時(shí)間的推移，OSCs產(chǎn)生氣泡狀和顏色發(fā)生變化(下圖)。我們的結(jié)果證實(shí)了Benatto等人的一些早期發(fā)現(xiàn)，即研究不同老化方案對銀柵背電極模塊的影響。他們發(fā)現(xiàn)氣泡的形成只發(fā)生在ISOSL-2和ISOS-L-3協(xié)議下。

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

隨著老化測試時(shí)間的延長，氣泡的數(shù)量越來越多，尺寸越來越大，越來越深。此外，還已經(jīng)注意到，在15次老化循環(huán)后，氣泡的形成在柵格周圍開始，并且在1080小時(shí)老化后，擴(kuò)散到樣品的所有表面上，尤其是在1.30 W/m²的UV輻射劑量下。氣泡周圍的區(qū)域變得不活躍，導(dǎo)致光電流部分減少，這是由Benatto等人用光束感應(yīng)電流(LBIC)成像證實(shí)的。