使用QUV老化试验箱研究有机太阳能电池的老化

一．简介

有机太阳能电池（OSCs）在不同条件下的稳定性存在一些限制，因为作为活性层的有机材料在外部因素的影响下会发生一些降解过程。由此产生的降解会改变光伏电池的物理特性，导致电池的电性能下降，如(PCE)、开路电压(Voc)、短路电流密度(Jsc)和Fll因子(FF)。

二.材料和测试

1.材料

在这项研究中，我们使用了Infnity OPV制造商提供的有机太阳能电池的封装样品（80×110 mm2 尺寸) (图1a），这些样品是在常温卷对卷（R2R）印刷中制备的。

图1 a为有机太阳能电池，b为安装在QUV样品架上的太阳能电池样品，c为QUV样品架背面

表1：太阳能电池样品参数

2.测试

QUV加速老化试验箱可用于不同的气候条件下进行真实的老化，如紫外线照射、温度、湿度、黑暗和喷淋。使用QUV电池在各种老化条件下进行了1080小时的长期老化实验。电池样品被放在如图1b、c所示的样品架上（样品架的两个面），然后用UVA-340灯照射。UVA-340灯代表了接近真实太阳光的特性。OSC样品被放置在QUV老化试验箱中测试1080小时，一共45个老化测试周期，测试紫外线照射、温度、喷雾、冷凝和黑暗对太阳能电池的综合影响。老化周期的持续时间为24小时，分为以下几个步骤：在第一步，样品被紫外线照射8小时，试验箱保持室温在50℃。然后，喷淋样品5分钟，接着在50℃下冷凝样品4小时（湿度产生）。最后，样品在黑暗中保持12小时（试验室的温度降低到30℃）。

图2：UVA -340灯管波长

样品的辐照是可控的，老化过程是在三个水平的紫外线辐照下进行的（0.83 W/m²、1.20 W/m²和1.30 W/m²），温度为50℃。每个案例的老化时间为1080小时。每15个周期后取下样品并记录其表征变化，以研究老化时间对OSC不同性能的影响。

三.结论

1 导电性能的退化

所进行的QUV老化测试方案受到了同时存在的气候条件的影响。它可以被认为比苛刻的ISOS协议（ISOSL3）更有害。样品的降解以快速的方式发生。

在每15个测试周期（实际上是360小时）之后，记录OSC的J-V特性，并在图3a-c中显示不同的紫外线照射剂量的情况。在老化测试之前，J-V特性呈现出OSC的典型特征，其不同的参数主要是最大功率点（MPP）。在不同的辐照剂量下老化后，曲线的形状发生了变化，样品的矫正性能完全丧失。还可以观察到Voc、Jsc和FF的明显下降，这意味着OSC不同部分在QUV紫外老化箱中发生了严重的批量退化，Benatto等人在ISOSD-3和ISOS-L-3老化条件下对PEDOT:PSS背电极样品观察到了同样的行为，Tromholt等人在研究温度和太阳光浓度对有机光伏太阳能电池的影响时对PEDOT:PSS/Ag-grid背电极进行了观察，结果相同。此外，众所周知，OSCs的降解可以通过外在因素（如水和氧气）和内在因素（如高温）进行监测。

与高温有关的内在因素被命名为OSCs层界面上的热扩散，可以导致BHJ内部结构的形态演变。紫外光也会加速降解。

由于PCE呈现OSC的最重要特征，其随老化时间的演变给出了OSC质量的良好图像。对于不同的紫外线照射浓度，根据老化时间的PCE的标准化值绘制在下图中。非常清楚的是，对于所有的紫外线照射浓度，PCE随着老化时间的延长而降低。

PCE的下降遵循典型的OSCs退化曲线，通常经历最初的快速老化阶段，然后是更稳定的阶段。此外，由于开始时的快速老化速度，PCE的快速降低是在老化的第一个15个循环(老化的第一个360小时)中完成的。在这个阶段，OSC几乎丧失了PCE特征。事实上，在QUV老化试验箱中以0.83 W/m²老化的情况下 ，PCE从100%下降到16%(即它损失了84%的 其初始值)，并且在以1.2 W/m²和1.30 W/m²老化的情况下，它实际上损失了其初始值的93%。 OSCs性能的快速退化受到老化期间每个样品经历的循环气候条件(紫外线照射、喷雾、湿度和黑暗)的影响。接下来的30个周期(剩余的720小时老化)的特征是PCE变化中的稳定阶段。在此阶段，PCE略有下降，在0.83 W/m²下老化720 h期间仅下降12.3%。然而，在1.2 W/m²下老化的情况下，PCE值保持恒定，并且在整个老化期间，在1.3 W/m²下老化的情况下呈现3.7%的轻微下降。

3.2气泡缺陷的形成和颜色变化

另一个方面是随着在QUV紫外老化试验箱中进行老化测试时间的推移，OSCs产生气泡状和颜色发生变化(下图)。我们的结果证实了Benatto等人的一些早期发现，即研究不同老化方案对银栅背电极模块的影响。他们发现气泡的形成只发生在ISOSL-2和ISOS-L-3协议下。

与其他老化测试方案相反，这两个协议呈现了光照、湿度和温度的影响,表明这三个参数的存在是气泡形成的主要原因。从图8中可以清楚地看出，对于所有的紫外线辐射剂量，在第15次老化循环(第360小时)后，在以0.83 W/m2老化的情况下，出现了少量的气泡，而在其它老化条件下，出现了更多的气泡。

随着老化测试时间的延长，气泡的数量越来越多，尺寸越来越大，越来越深。此外，还已经注意到，在15次老化循环后，气泡的形成在栅格周围开始，并且在1080小时老化后，扩散到样品的所有表面上，尤其是在1.30 W/m²的UV辐射剂量下。气泡周围的区域变得不活跃，导致光电流部分减少，这是由Benatto等人用光束感应电流(LBIC)成像证实的。