研究聚合物太阳能电池的室内稳定性测试

抽象的

我们已经制造了一个新的低带隙聚合物聚[4,4-双（2-乙基己基）-4的有机太阳能电池H-clopenta [2,1--b：3,4--b']二苯二酚-2,6-二苯基 -alt-4，，，，7-bis(2-thienyl)-2,1,3-benzothiadiazole-5′,5′′-diyl] (PCPDTTBTT). We have investigated for the first time the stability tests, ISOS-L-1 and ISOS-D-3, of PCPDTTBTT solar cells. Thermal annealing of PCPDTTBTT solar cells at 80°C brought about an improvement of photocurrent generation, stability, and efficiency of the solar cells.t₈₀value of PCPDTTBTT solar cell is about 150 hours which is close to P3HT (235 h). PCPDTTBTT is very promising polymer for both polymer solar cell efficiency and stability.

1.简介

聚合物太阳能电池（PSC）目前正在吸引大量关注，因为它已经显示出可再生，轻量级和低成本能源的巨大希望[1-3]。在分子乐高游戏中，捐赠者（D）和受体（a）构建块可能会有许多组合；新型的低带隙聚合物被生成并随后表征。通过选择合适的D和分子设计段的片段，可以实现低带隙聚合物的发展。供体供体 - 受体 - 唐纳（DDAD）以低带隙聚合物而闻名。该结构存在一些溶解度问题，可以通过引入烷基链的替代来改善这些问题。PCPDTTBTT是DDAD结构共聚物之一。在文献中，研究了侧链位置对PCPDTTBTT太阳能电池的作用（薄膜薄）。另外，研究了带有纳米晶量量子点的PCPDTTBTT太阳能电池[4-6]。

尽管聚合物太阳能电池的发育潜力很高，但未详细研究它们的稳定性和降解。有机光伏降解的固有原因知之甚少。研究表明，聚合物太阳能电池中的降解机制包括与O的反应₂， H₂O和电极材料。因此，为了提高聚合物太阳能电池的耐用性，需要仔细选择供体，受体，电极和封装材料[7，，，，8]。

有许多影响有机太阳能电池稳定性的参数。材料非常重要；也就是说，玻璃过渡温度（），分子量，同性恋水平和聚合物的稳定性非常关键。封装方法主要使用UV-环氧树脂，某些屏障膜等，等等，在制造过程中。封装方法的选择对于提高太阳能电池的稳定性至关重要。退火是一个参数，可以通过热或溶剂退火将聚合物退火。结构也很突出，可能是正常或倒立类型的，会影响有机太阳能电池的稳定性。

基于小分子（五烯/C）封装有机太阳能电池₆₀根据他们的保质期研究）[9];这些设备在6000小时以上稳定，而空气暴露仅10小时后，没有封装的设备迅速降解。此外，在设备制造过程中进行的热退火提高了太阳能电池的开路电压和功率转换效率。克雷布斯和spanggaard [10]还研究了聚合物太阳能电池的稳定性，并实现了超过10,000 h的聚合物太阳能电池的寿命。但是，设备性能太低。

OPV系统可能具有无机系统以外的其他故障模式，包括光氧化和电极和接口的化学降解[11]。因此，正在制定一套新的准则，旨在比较不同实验室获得的数据和主张。开发测试程序以测量耐用性的复杂性源于以下事实：与无机技术不同，有机光伏是一种高度多样化的技术，具有可以使用许多不同材料来制备不同建筑的细胞。所有这些变量都会影响最终设备的总体稳定性性能。可以通过包装和封装或其他方式来实现有机光伏的稳定性，从而实现凭经验清除该问题或尽可能减少问题。为了找出问题，在以设备退化结束之前，可以采取功率转换效率的图。运行时间直到80％（t₈₀）和50％（t₅₀提取出表现线性衰减的设备的初始性能。必须就如何评估和报告衰减数据达成协议。因此，在ISO会议上列出了OPV稳定协议的准则[12]。目的是在比较来自聚合物和小分子产生的有机太阳能电池的稳定性和寿命数据中提供合理的准确性。

通过合成低带隙共轭聚合物和设备制备条件的优化，包括调整组件的体积分数[1，，，，13]，热退火处理[14，，，，15]和溶剂退火[16，，，，17]。

聚合物太阳能电池的商业化非常需要对降解现象的理解，例如重结晶和温度变化，以及氧化和还原过程中的反应。对降解机制的理解将导致新型材料的发展，有效的聚合物太阳能电池封装以及对氧气和水具有更具耐药性的替代屏障层。

In this study, we investigate new low bandgap polymer PCPDTTBTT that is not studied in detail in literature. We have firstly studied stability testing of PCPDTTBTT solar cells, ISOS-L-1 and ISOS-D-3. PCPDTTBTT is very promising polymer for both polymer solar cell efficiency and stability.

2.实验

2.1。材料

PCPDTTBTT供体材料（图1）购自发光鸡舍。从Heraeus和N型半导体emiciconductor emiciconductor emiciconductor苯基苯基苯基苯基苯基苯基苯基苯基获得，孔转运层，聚（3,4-乙二醇二噻吩）（PEDOT）（PEDOT）（PEDOT）（PEDOT）（PEDOT）（PEDOT）（PEDOT：PEDOT：PEDOT：PSS CLEVIOS P）₆₁-butyric acid methyl ester (PC₆₁BM）购自Sigma-Aldrich（图1）。PCPDTTBTT and PCBM solutions with 20 mg/mL concentration were prepared by using 1,2-dichlorobenzene from Alfa Aesar. The active layer solutions were prepared by mixing the PCPDTTBTT polymer and PCBM in 1 : 3 blend ratio.

2.2。制造聚合物太阳能电池

PCPDTTTBTT设备在具有以下结构的玻璃基板上制造：iNADIUM薄氧化物（ITO）/PEDOT：PSS/PCPDTTBTT：PC₆₁BM/CA/AL。ITO涂层玻璃基板具有15Ω/sq的板电阻。在洗涤剂，丙酮，异丙醇和去离子水中进行超声清洁，依次将其干洗5分钟，然后在氮气流下干燥。将干燥的ITO底物转移到紫外线清洁剂中，以产生亲水性ITO表面。PEDOT：将PSS溶液旋转到玻璃基板上，并在130°C退火10分钟。

然后将混合物旋转到PEDOT上：PSS涂层底物（图2）并在80°C，100°C和120°C的不同温度下退火10分钟。最后，通过热真空蒸发沉积Ca（10 nm）/al（70 nm） mbar. The active area of the cell was 0.09 cm²。通过使用Osilla UV固化环氧树脂进行聚合物太阳能电池的封装。

2.3。表征

当前的密度电压（-）使用100 mW/cm的标准太阳辐射在光照射下采用设备的特性²（AM 1.5G）将氙气灯作为光源和计算机控制的电压电流Keithley 2600源计，在环境大气下25°C。通过原子力显微镜（AFM）（PARK Systems）研究了混合膜的形态。使用PG仪器进行UV-VIS光谱测量t₈₀模型UV-VIS分光光度计。

3。结果与讨论

研究了在玻璃基板上制造的PCPDTTBTT设备，并研究了聚合物太阳能电池的室内稳定性。图中描述了PCPDTTBTT太阳能电池的当前密度 - 电压特性3。对PCPDTTBTT太阳能电池进行了退火的影响。桌子1总结了PCPDTTBTT太阳能电池的热退火对光伏参数的影响。热退火可改善PCPDTTBTT太阳能电池的电流密度。当PCPDTTBTT太阳能电池在80°C下退火时，与PCPDTTTBTT太阳能电池相比，PCPDTTTBTT太阳能电池的当前密度和功率转换效率增加了（图）3）。退火温度对PCPDTTBTT太阳能电池的影响总结在表中1。

PCPDTTBTT的UV光谱：PC₆₁BM混合胶片如图所示4。据观察，考虑PCPDTTBTT的吸收：PC₆₁BM混合膜有两个吸光度最大值，分别为518和643 nm。吸收所有PCPDTTBTT：PC₆₁BM混合膜具有热退火，表明吸收值得到增强，这意味着光子收集增加。此外，退火还会导致紫外吸光度最大值的红移（645 nm – 657 nm），这意味着共轭长度增加。

图中列出了具有各种退火温度的PCPDTTTBTT太阳能电池的IPCE值，这些温度在80°C，100°C和120°C下制造5。光电流产生的最佳结果是在80°C下进行热退火的PCPDTTBTT太阳能电池中获得的。所有热退火条件均表明热退火改善了光电流的产生（图5）。IPCE图表明，在80°C下的光电流产生大于其他温度。IPCE和和结果表明，退火的最佳温度似乎在80°C。

3.1。PCPDTTBTT太阳能电池的稳定性测试

OPV设备有几类稳定性测试，例如在黑暗，模拟光和湿度下以及在室外条件下进行测试。每个降解测试[18]分为三类：基本（1），中级（2）和高级（3）级别。实验的主要变量是温度，光，湿度和环境。在这项研究中，使用ISOS-L-1和ISOS-D-3测试方案对太阳能电池进行了测试。

为了准确比较现实生活中的室内稳定性测试，必须选择与日光的光谱分布密切匹配的光源。Xenon Arc与AM 1.5G的匹配与正确的过滤器非常好。由于灯老化倾向于比其他范围更大的紫外线范围，因此在紫外线范围内监测对于保持适当的辐照度水平至关重要。对于室内测试，ISOS-L-1 [12]进行以了解有机太阳能电池的降解。测试协议的简短历史记录在表中给出2。

设备结构是ITO/PEDOT：PSS/PCPDTTBTT：PCBM/CA：AL。PCPDTTBTT制造过程中没有退火。对于此设备ISOS-L-1测试（图6（a））表示标准化在500 h期间非常稳定；但是归一化耐用性降低到40％。100小时后，效率降至50％的耐用性；这是非常重大的变化，然后略有减少。400小时后，效率逐渐降至20％的耐用性。

稳定性values of PCPDTTBTT solar cell was investigated in Figure6（a）。结果表明，所有设备均相对于。同时，使用PCPDTTTBTT太阳能电池80°C进行热退火表明在AM 1.5G太阳能模拟器下500 h的耐用性为100％。归一化图表明，PCPDTTBTT太阳能电池80°C的稳定性是最佳的，因为在AM 1.5G太阳能模拟器下，当前密度稳定性在500小时内为70％（图6（b））。PCPDTTBTT太阳能电池100°C的稳定性也比其他人更好。标准化的耐用性约为60％（数字6（b））。PCPDTTBTT太阳能电池的FF的稳定性受退火条件的影响（图6（c））。具有80°C热退火的设备结构显示出最佳的FF值，为70％。在AM 1.5G太阳能模拟器下的500小时内，当它增加到120°C时，在AM 1.5G太阳能模拟器下，PCPDTTBTT太阳能电池的FF稳定性在500 h内降至50％（图）6（c））。数字6（d）描绘出在80°C下进行热退火的PCPDTTBTT太阳能电池在500 h内具有50％的耐用性。

PCPDTTBTT的ISOS-D-3稳定性测试表明，两个设备相对于。前者是没有热退火的PCPDTTBTT太阳能电池，后者是具有80°C热退火的PCPDTTBTT太阳能电池。归一化和time plot of ISOS-D-3 testing showed 50% durability in 400 hours for PCPDTTBTT solar cell without thermal annealing and stability of PCPDTTBTT solar cell at 80°C thermal annealing (Figure7（b））。ISOS-D-3研究PCPDTTBTT太阳能电池的归一化效率和时间图如图所示7（d）。据表明，没有热退火和稳定性的PCPDTTBTT太阳能电池的稳定性具有80°C的PCPDTTTBTT太阳能电池，具有80°C的热退火非常接近彼此，并且比PCPDTTTTBTT太阳能电池的稳定性更高退火。

可以得出结论，当PCDTTBTT膜在较高的温度下退火时，可能会在薄膜中引起某些有害效果时，例如，某些暗点会导致更快的降解，从而降低设备性能。这些黑点可以在图中的AFM图像中看到8（d）。

PCPDTTBTT：将PCBM混合物旋转到玻璃基板上，并在80°C，100°C和120°C的不同温度下退火10分钟。在形态学方面拍摄了AFM图片并进行了比较。PCPDTTBTT的AFM照片：PCBM在80°C，100°C和120°C的不同温度下混合10分钟8。没有退火的膜的粗糙度约为3.75±0.5 nm。PCPDTTBTT的AFM：PCBM混合而无需退火，表明晶粒尺寸是关于 nm; there are also small dark spots. The roughness of PCPDTTBTT:PCBM blends with 80°C annealing is about nm and the grain size is about nm (Figure8（b））。PCPDTTBTT的AFM：退火100°C时的PCBM混合物显示晶粒尺寸大约 nm. The roughness of PCPDTTBTT:PCBM blends with 100°C annealing is about 3.90 ± 0.5 nm (Figure8（c））。PCPDTTBTT的AFM：退火120°C时的PCBM混合物表明，导致泄漏的一些暗点是当前的。它们具有不同的维度，宽度 nm and depth of nm (Figure8（d））。形态与其他温度有所不同。被宠坏的黑斑的谷物比其他温度大。PCPDTTBTT的粗糙度：120°C的PCBM混合物约为2.90±0.5 nm。

4。结论

总之，我们制造了四个不同的太阳能电池，一个是一个没有退火而制造的参考单元。当PCPDTTBTT太阳能电池在80°C下退火时，与PCPDTTTBTT太阳能电池相比，PCPDTTBTT太阳能电池的当前密度和功率转化效率增加。对于PCPDTTBTT太阳能电池，使用80°C的热退火似乎是最佳温度。考虑到PCPDTTBTT的吸收：PCBM混合膜，有两个吸光度最大值，分别为518和643 nm。所有PCPDTTBTT的吸收：带有热退火的PCBM混合膜表明吸收值改善了，因此光子收集增加了。PCPDTTBTT的紫外线光谱：具有80°C退火的PCBM混合膜显示，与PCPDTTBTT：PCBM混合膜相比，使用80°C退火时，最佳吸光度的值随着80°C而增加。ISOS-L-1PCPDTTBTT的研究：具有80°C热退火的PCBM太阳能电池表明，热退火改善了PCPDTTTBTT太阳能电池的稳定性。归一化效率从500 h期间的20％耐用性提高到50％的耐用性。t₈₀PCPDTTBTT太阳能电池的价值从10小时变为150小时。t₈₀P3HT（商业聚合物）和太阳能电池的值t₈₀值为235 h [19-21]，因此结果表明PCPDTTBTT是非常有前途的材料，因为稳定性非常接近P3HT。此外，PCPDTTBTT太阳能电池在250小时后显示出70％的耐用性ISOS-L-1测试。在85°C和ISOS-D-3测试中加速老化测试还表明，在延长的热和水分应力下，PCPDTTBTT太阳能电池的稳定性约为400 h。

结果表明，该聚合物的稳定性很好，可以通过新颖的封装技术，例如原子层沉积（ALD）或新型屏障材料来改善。

Competing Interests

作者宣布他们没有竞争利益。

References

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