南昌大学陈义旺、胡笑添团队《Macromolecules》：通过动力学参数校正精准测算有机光伏运行时效
近年来，有机太阳能电池（OSCs）稳定运行数千小时的报道频率也有所上升，越来越接近商业使用标准。影响OSCs运行时效的因素包括：固有稳定性、光、机械应力、热应力、空气气氛等外部测试条件密切相关。然而，大多数研究使用的外部测试条件不同，导致不同研究间所计算的运行时间差异较大，无法真实反映有机光伏器件在实际运行中的使用寿命。此外，有机太阳电池寿命传统预测公式中缺乏考虑活性层膜中的分子动力学和热力学过程，导致预测的工作老化时间与实际结果存在偏差。因此，利用ISOS标准化条件，探索OSCs的降解机制并预测其运行时间，对实际应用具有重要意义。
针对以上问题，南昌大学陈义旺、胡笑添研究团队利用参数校正加速老化法（PAAM），成功地提出了具有修正因子（φ1，φ2，φ3，ω1，ω2）的校正的运行时效测试经验公式（PCLP经验公式）。通过分析实际运行环境（封装）中的分子动力学和热力学过程，探讨了不同光照条件下各类活性层膜的降解机理，并建立起光辐射、薄膜性能和器件性能之间的关系。通过探索聚合物-小分子体系（PM6:BTP-eC9, PM6:BO-4Cl）、全聚合物体系（PM6:L15、J71:N2200）和全小分子体系（BTR-Cl:L8-BO, MPhS-C2:BTP-eC9）的降解机制，进一步验证了PCLP经验公式的普适性。为商业化有机光电器件运行时效的精准测算提供了有效的科学指导。
图1 基于不同活性层体系在不同光照强度下紫外-可见吸收光谱降解图。
在相同的累积辐射通量、低光强条件下，含有聚合物组分(PM6:Y6和PM6:PY-IT)的活性层薄膜中的聚合物链具有较长的运动和松弛时间，导致光照后薄膜性能相对较差。同时，在全小分子薄膜中(BTR-Cl:Y6)，由于聚合物链不存在缠结和锁存现象，小分子在外加能量作用下运动更剧烈，在强光下降解更快。
图2 基于不同活性层体系光伏器件在不同光照条件的PCE损耗率和拟合曲线
该团队为了量化器件的运行时效，以WLF方程为模型来描述太阳电池运行时效的变化：
其中，η(t)为PCE损失率，γ为累积辐射通量，A、B、C、D、E为器件在高光强下的降解参数（与活性层材料的本征性质有关），φ1、φ2、φ3、ω1和ω2为修正因子（与活性层材料体系有关）。并以PM6:PY-IT为例，详细说明了PCLP经验公式的推导过程。并总结不同活性层体系光伏器件运行时效测算公式的修正因子，如表1所示：
表1 不同活性层体系光伏器件运行时效测算公式的修正因子总结
以上相关成果以“Dynamics Parameter Correction for Predicting the Long-Term Stability of Organic Photovoltaics”为题发表在《Macromolecules》上。论文的第一作者为南昌大学化学化工学院博士生李豪杰，共同第一作者为江西师范大学师资博后刘思奇。通讯作者为南昌大学陈义旺教授和胡笑添教授。
上述研究工作得到国家自然科学基金、江西省“双千计划”科技创新高端人才项目，以及北京大学长三角光电科学研究院等单位的支持。
原文链接：
https://doi.org/10.1021/acs.macromol.4c01082