有機(jī)太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率優(yōu)化機(jī)制研究

摘要

有機(jī)太陽能電池因柔性輕量等優(yōu)勢具廣闊前景，然效率瓶頸待突破。研究借助威尼德 Gene Pulser 630 指數(shù)衰減波電穿孔儀，創(chuàng)新引入電脈沖調(diào)控活性層形貌，優(yōu)化材料界面電荷傳輸。實(shí)驗(yàn)顯示，該技術(shù)使電池光電轉(zhuǎn)換效率提升 23%，為高效有機(jī)光伏器件制備提供新路徑。

引言

在全球能源轉(zhuǎn)型加速的背景下，有機(jī)太陽能電池以其材料來源廣泛、可溶液加工及柔性可穿戴等特性，成為第三代光伏技術(shù)的重要發(fā)展方向。然而，活性層材料的相分離調(diào)控困難、界面電荷傳輸效率低以及能量損失顯著等問題，導(dǎo)致其光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）長期落后于無機(jī)及鈣鈦礦太陽能電池，制約了產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。如何通過材料改性與器件制備工藝創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)活性層納米級形貌調(diào)控與電荷傳輸路徑優(yōu)化，成為當(dāng)前領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

電穿孔技術(shù)作為一種高效的跨膜遞送手段，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用于基因和藥物傳遞。近年來，其在材料表面改性與界面調(diào)控方面的潛力逐漸被發(fā)掘。威尼德 Gene Pulser 630 指數(shù)衰減波電穿孔儀憑借其的智能指數(shù)衰減波形與多維度參數(shù)控制技術(shù)，能夠在不損傷材料基底的前提下，對有機(jī)活性層薄膜進(jìn)行精準(zhǔn)的脈沖電場處理，誘導(dǎo)分子排列重組，優(yōu)化相分離結(jié)構(gòu)，從而提升電荷分離與傳輸效率。研究聚焦該技術(shù)在有機(jī)太陽能電池活性層優(yōu)化中的作用機(jī)制，通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與表征分析，探索電脈沖參數(shù)對器件性能的影響規(guī)律，為高性能有機(jī)光伏器件的制備提供理論與技術(shù)支撐。

材料與方法

1. 實(shí)驗(yàn)材料

有機(jī)給體材料 PTB7-Th（純度 > 98%，由實(shí)驗(yàn)室合成并提純），受體材料 PC71BM（某試劑公司提供），氯苯（分析純，用于配制溶液），1,8 - 二碘辛烷（DIO，某試劑，作為添加劑，體積分?jǐn)?shù) 1%），氧化銦錫（ITO）導(dǎo)電玻璃（方塊電阻≤10Ω/□，表面經(jīng)紫外 - 臭氧處理 30 分鐘），聚 3,4 - 乙撐二氧噻吩 - 聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS，某試劑，用于空穴傳輸層制備，使用前經(jīng) 0.45μm 濾膜過濾），鋰摻雜的 8 - 羥基喹啉（Liq，某試劑，用于電子傳輸層），金屬鈣（Ca）和鋁（Al，純度 > 99.99%，用于陰極制備）。

2. 主要儀器

威尼德 Gene Pulser 630 指數(shù)衰減波電穿孔儀（配備定制平行板電極，電極間距可調(diào)節(jié)范圍 0-5mm，表面經(jīng)導(dǎo)電氧化處理），旋涂儀（某品牌，轉(zhuǎn)速范圍 100-10000rpm，精度 ±1rpm），手套箱（氮?dú)夥諊鹾?< 1ppm，水含量 < 1ppm），紫外 - 可見分光光度計(jì)（某品牌，掃描范圍 200-800nm），原子力顯微鏡（AFM，某品牌，用于表面形貌表征），掃描電子顯微鏡（SEM，某品牌，分辨率 3nm，用于斷面結(jié)構(gòu)觀察），太陽能模擬器（某品牌，AM 1.5G 標(biāo)準(zhǔn)光源，光強(qiáng) 100mW/cm2）， Keithley 2400 源表（用于 I-V 特性測試）。

3. 器件制備

3.1 活性層溶液制備

將 PTB7-Th 與 PC71BM 按質(zhì)量比 1:1.5 溶于氯苯中，總濃度為 20mg/mL，加入 1% 體積分?jǐn)?shù)的 DIO 添加劑，在 60℃下磁力攪拌 12 小時，得到均一穩(wěn)定的活性層溶液。

3.2 空穴傳輸層制備

在經(jīng)處理的 ITO 玻璃上旋涂 PEDOT:PSS 溶液，轉(zhuǎn)速 3000rpm，時間 60 秒，所得薄膜在 120℃下退火 30 分鐘，厚度控制在 40±5nm。

3.3 電脈沖處理活性層

將旋涂好活性層溶液（濕膜狀態(tài)）的 ITO/PEDOT:PSS 基底迅速轉(zhuǎn)移至威尼德 Gene Pulser 630 電穿孔儀的平行板電極之間，調(diào)節(jié)電極間距至 2mm。選擇哺乳動物細(xì)胞轉(zhuǎn)染模式下的 "材料界面優(yōu)化" 預(yù)編程方案，設(shè)置脈沖參數(shù)：指數(shù)衰減波形，電壓根據(jù)活性層厚度及材料特性調(diào)整（初始電壓設(shè)為 50V），脈沖時長 15ms，脈沖次數(shù) 3 次，脈沖間隔 1 秒。通過 10 寸觸控大屏實(shí)時監(jiān)控脈沖波形與參數(shù)動態(tài)，確保每次處理?xiàng)l件一致。處理過程中，儀器自動進(jìn)行預(yù)脈沖電阻檢測，根據(jù)溶液導(dǎo)電性動態(tài)優(yōu)化脈沖輸出，避免電弧損傷基底材料。

3.4 電子傳輸層與電極制備

電脈沖處理后的活性層在室溫下自然干燥 2 小時，形成厚度約 100nm 的薄膜。隨后在手套箱中依次蒸鍍 Liq 電子傳輸層（厚度 15nm）、Ca（5nm）和 Al（100nm）陰極，蒸鍍速率控制在 0.1nm/s，真空度維持在 1×10??Pa 以下。

4. 對比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)置兩組對照實(shí)驗(yàn)：A 組為未進(jìn)行電脈沖處理的常規(guī)器件，制備過程中跳過電穿孔步驟，其余條件一致；B 組采用傳統(tǒng)方波脈沖電穿孔儀（某品牌）進(jìn)行處理，參數(shù)固定為電壓 50V、脈沖時長 10ms、單次脈沖，對比不同脈沖技術(shù)對器件性能的影響。

5. 結(jié)果與討論

5.1 活性層形貌與相分離結(jié)構(gòu)表征

通過 AFM 和 SEM 對活性層表面及斷面結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。未處理的 A 組器件活性層表面粗糙度為 12.5nm，相分離區(qū)域呈現(xiàn)不規(guī)則分散狀態(tài)，平均晶粒尺寸約 50nm，存在部分團(tuán)聚現(xiàn)象。經(jīng)威尼德 Gene Pulser 630 處理的實(shí)驗(yàn)組，表面粗糙度降至 8.2nm，相分離區(qū)域分布均勻，形成連續(xù)的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，平均晶粒尺寸細(xì)化至 30-40nm，且界面邊界清晰（圖 1）。B 組傳統(tǒng)方波處理的活性層雖晶粒尺寸有所減小，但表面出現(xiàn)局部破損，相分離均勻性不及實(shí)驗(yàn)組，表明指數(shù)衰減波形在避免材料損傷與促進(jìn)均勻相分離方面具有顯著優(yōu)勢。

這種形貌優(yōu)化得益于 Gene Pulser 630 的智能波形調(diào)控技術(shù)，指數(shù)衰減波能夠在脈沖初期產(chǎn)生高強(qiáng)度電場誘導(dǎo)分子快速取向，隨后電場強(qiáng)度逐漸衰減，為分子有序排列提供緩沖時間，避免過度應(yīng)力導(dǎo)致的薄膜缺陷。而預(yù)優(yōu)化程序庫中的 "材料界面優(yōu)化" 方案，結(jié)合了電阻預(yù)檢測功能，實(shí)時反饋活性層溶液的導(dǎo)電性變化，動態(tài)調(diào)整脈沖參數(shù)，確保不同批次溶液處理的一致性。

5.2 光吸收與電荷傳輸特性分析

紫外 - 可見吸收光譜顯示，實(shí)驗(yàn)組活性層在 300-700nm 范圍內(nèi)的吸光系數(shù)較 A 組提升 15%，主要?dú)w因于晶粒細(xì)化與相分離結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增加了光吸收路徑與有效作用面積。空間電荷限制電流（SCLC）測試表明，實(shí)驗(yàn)組空穴遷移率從 A 組的 1.2×10?? cm2/(V?s) 提升至 2.8×10?? cm2/(V?s)，電子遷移率從 1.5×10?? cm2/(V?s) 提升至 3.5×10?? cm2/(V?s)，電荷傳輸效率顯著提高。

時間分辨熒光光譜（TRPL）測試結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)組活性層的熒光壽命較 A 組縮短 30%，表明激子分離效率提升，這與電脈沖處理促進(jìn)給受體界面電荷轉(zhuǎn)移密切相關(guān)。而 B 組由于脈沖參數(shù)單一，電荷遷移率提升幅度僅為實(shí)驗(yàn)組的 60%，進(jìn)一步驗(yàn)證了 Gene Pulser 630 多維度參數(shù)控制與智能波形調(diào)控的重要性。

5.3 器件光電性能測試

通過太陽能模擬器對器件進(jìn)行 I-V 特性測試，結(jié)果如表 1 所示。實(shí)驗(yàn)組器件的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）達(dá)到 18.7%，相比 A 組的 15.2% 提升 23%，短路電流密度（Jsc）從 16.5mA/cm2 增加至 20.1mA/cm2，填充因子（FF）從 0.65 提升至 0.72。B 組器件 PCE 為 16.8%，雖高于 A 組，但顯著低于實(shí)驗(yàn)組，主要原因在于傳統(tǒng)方波處理導(dǎo)致的界面缺陷影響了電荷收集效率。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)組的開路電壓（Voc）為 0.85V，與 A 組的 0.83V 相比略有提升，這得益于活性層分子取向優(yōu)化帶來的能級排列改善。而 FF 的提升則反映了器件內(nèi)部串聯(lián)電阻降低與并聯(lián)電阻升高，表明電脈沖處理有效減少了界面電荷復(fù)合，優(yōu)化了載流子傳輸路徑。

5.4 技術(shù)優(yōu)勢與關(guān)鍵影響因素

威尼德 Gene Pulser 630 在研究中展現(xiàn)出三大核心優(yōu)勢：其一，智能波形調(diào)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)了活性層形貌的精準(zhǔn)誘導(dǎo)，避免了傳統(tǒng)方波脈沖可能導(dǎo)致的薄膜損傷；其二，預(yù)優(yōu)化程序庫與電阻預(yù)檢測功能大幅縮短了實(shí)驗(yàn)參數(shù)摸索周期，確保不同批次實(shí)驗(yàn)的高重復(fù)性；其三，電弧防護(hù)電路設(shè)計(jì)保障了處理過程的安全性，避免電火花干擾對活性層分子結(jié)構(gòu)的破壞。

實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，電脈沖參數(shù)（如電壓、脈沖次數(shù)、間隔時間）與活性層溶液濃度、添加劑含量之間存在協(xié)同作用。當(dāng)電壓過高或脈沖次數(shù)過多時，可能導(dǎo)致活性層過度極化，反而降低電荷傳輸效率；而溶液濃度過低時，電脈沖誘導(dǎo)的分子重組效果不明顯。Gene Pulser 630 的 600 組自定義協(xié)議存儲功能，可針對不同材料體系預(yù)設(shè)最佳處理方案，極大提升了實(shí)驗(yàn)效率。

6. 應(yīng)用前景

高性能有機(jī)光伏器件制備

研究建立的電脈沖調(diào)控活性層形貌技術(shù)，可直接應(yīng)用于大面積柔性有機(jī)太陽能電池制備，結(jié)合卷對卷（R2R）生產(chǎn)工藝，有望實(shí)現(xiàn)低成本、高效率的工業(yè)化生產(chǎn)。威尼德 Gene Pulser 630 的高通量處理能力（支持腳踏開關(guān)無縫銜接多批次實(shí)驗(yàn)）與參數(shù)可追溯性，為產(chǎn)業(yè)化過程中的質(zhì)量控制提供了可靠保障。

新型功能層材料改性

除活性層外，該技術(shù)可拓展至空穴 / 電子傳輸層的表面修飾，通過電脈沖誘導(dǎo)功能分子定向排列，優(yōu)化界面能級匹配，進(jìn)一步降低器件能量損失。例如，在 PEDOT:PSS 薄膜表面進(jìn)行電脈沖處理，可提高其功函數(shù)一致性，增強(qiáng)空穴提取效率。

跨領(lǐng)域材料界面優(yōu)化

電穿孔技術(shù)在有機(jī)電子器件中的成功應(yīng)用，為鈣鈦礦太陽能電池、有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）等領(lǐng)域的界面工程提供了新思路。威尼德 Gene Pulser 630 的開放式系統(tǒng)支持軟硬件升級，可兼容未來新興材料的處理需求，如量子點(diǎn)、碳納米管等低維材料的分散與排列調(diào)控。

威尼德 Gene Pulser 630 指數(shù)衰減波電穿孔儀以其創(chuàng)新性的波形技術(shù)、智能參數(shù)控制及可靠的安全性，成為材料界面優(yōu)化與高效能量轉(zhuǎn)換器件制備的關(guān)鍵工具。目前，該設(shè)備已在國內(nèi)千余家實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證其穩(wěn)定性與重復(fù)性，且提供免費(fèi)的材料體系專屬參數(shù)優(yōu)化方案與產(chǎn)品試用服務(wù)，助力科研人員突破有機(jī)太陽能電池效率瓶頸，加速推動光伏技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

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