有机光伏稳定性超出一万小时，科学家研发新型电子传输材料

近日，国家纳米科学中心周惠琼研究员和团队采用溶胶凝胶法制备出一种铱/氧化铱（Ir/IrOx）纳米粒子。

图 | 周惠琼（来源：周惠琼 ）

在经典模型体系 PM6:Y6 器件中，Ir/IrOx 器件的存储稳定性 T90（器件效率降至初始效率 90% 的时间）大于一万小时，线性拟合 T80 为 56696 小时；在 60℃下加热之后，其老化稳定性 T70 大于一万小时，线性拟合 T70 为 13920 小时。在目前的实验测试中，Ir/IrOx 器件是存储寿命和热稳定性寿命最长的有机光伏电池。

（来源：Nature Communications）

作为一种新型电子传输材料，在热循环和紫外线照射下，Ir/IrOx 器件也展现出优异的稳定性，因此有望应用于极端条件的工作环境。

由于 Ir/IrOx 材料不具备光催化性质和相应的活性层，因此其拥有更稳定的组分分布和形貌。在暗置存储、热老化和最大功率点跟踪等老化条件下，Ir/IrOx 器件的寿命均得到了显著延长。

得益于该材料合适的功函数、非均一性的微观表面能分布、以及光学调控作用，基于 Ir/IrOx 纳米颗粒的器件展现出更优异的光电性能。与 ZnO 器件相比，该器件可以获得改善之后的电荷提取和抑制的电荷复合，进而提升器件效率。

据介绍，本次课题的立项原因在于：随着有机太阳能电池器件效率的飞速提升，器件稳定性较差是制约其商业化应用的关键所在。金属氧化物 ZnO 具有合适的功函数、良好的光透过率、高效的电子传输能力等优点，是溶液法光伏器件阴极界面常用的电子传输材料。然而，由于这类材料具有光催化特性，在长期光照下易诱导活性层的界面降解，从而影响器件的长期稳定性，因此非常有必要对界面光降解进行抑制。

研究中，该实验室先是进行了材料制备和表征，包括对 Ir/IrOx 纳米粒子薄膜制备工艺的优化，以及对纳米粒子一系列性质的探索，这让他们对这一类材料有了清楚且全面的认知。

接着便是太阳能电池器件的制备，该团队将纳米粒子应用到反式结构有机太阳能电池之中，通过大量的器件优化实验、以及器件物理的表征，将前一阶段总结的材料性质与光伏器件性能联系起来。

随后则要进行太阳能电池的稳定性研究，这也是最为关键的一个阶段。期间，课题组从储存稳定性、热老化稳定性、最大功率点（MPP，Maximum Power Point）稳定性、热循环稳定性、以及紫外光照稳定性等方面入手，全面研究了纳米电子传输材料对于器件稳定性的影响。

同时，他们还将元素分析、形貌表征和器件物理测试相结合，借此阐明电子传输层在器件老化过程中发挥的作用。

最终，相关论文以《具有 Ir/IrOx 电子传输层的有机太阳能电池寿命超过 10000 小时》（Lifetime over 10000 hours for organic solar cells with Ir/IrOx electron-transporting layer）为题发在 Nature Communications 上 [1]。

图 | 相关论文（来源：Nature Communications）

国家纳米科学中心博士毕业生李彦勋和硕士毕业生黄博是共同一作，周惠琼研究员担任通讯作者。

后续，课题组打算“乘胜追击”。周惠琼说：“当下我们在实验室里已经可以采用刮涂的方法，来制备 Ir/IrOx 纳米粒子的薄膜。但是，要想实现有机太阳能电池的产业化，除了提高器件的稳定性以外，制备高效的大面积器件则是另一个绕不开的话题。因此，未来我们打算把 Ir/IrOx 纳米粒子推广至大面积的有机太阳能电池之中。”

参考资料：

1.Li, Y., Huang, B., Zhang, X.et al. Lifetime over 10000 hours for organic solar cells with Ir/IrOx electron-transporting layer. Nat Commun 14, 1241 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-36937-8