Китайские учёные создали органические солнечные батареи с эффективностью 18 % и повышенной стабильностью
Аккумулятор Challenger A12-55
Китайские исследователи продемонстрировали органические солнечные элементы с новой инкапсуляцией и защитным межфазным слоем, обеспечивающим повышенную стабильность и эффективность. Самый эффективный элемент, созданный на основе нового подхода, сохранил 94 % своей первоначальной эффективности преобразования энергии после стандартных испытаний во влажной среде в течение 1032 часов и 200 термических циклов.
Исследовательская группа из Китая продемонстрировала органические солнечные элементы (OSC) с защитным межфазным слоем и новой системой инкапсуляции, которые отличаются высокой эффективностью и повышенной стабильностью.
Наиболее эффективная ячейка, созданная на основе нового подхода, сохранила 94 % от первоначальной эффективности преобразования энергии в 18 % после стандартных испытаний при температуре 85 °C в течение 1032 часов и относительной влажности 85 % в условиях влажного тепла, а также после 200 термических циклов.
«Мы подтвердили, что OSC может быть внутренне и внешне стабильным при испытаниях на воздействие влаги, тепла и термоциклировании», — рассказал журналу PV Чан-Ци Ма, автор исследования.
«Если говорить подробнее, мы разработали эффективный метод проверки термической стабильности плёнок из полимерных смесей путём измерения УФ-видимого поглощения плёнки из смеси при термическом отжиге. Во-вторых, мы решили задачу о термически вызванной деградации межфазной поверхности. В-третьих, мы провели количественный анализ пропускания водяного пара через двумерную модель и через краевые уплотнения», — объяснил Ма
Работа началась с измерений спектроскопии поглощения в УФ- и видимом диапазонах в зависимости от температуры, которые позволили исследовательской группе определить температуру начала процесса как «критический порог» для активации молекулярной подвижности в полимерных смесях. Затем температура начала процесса была использована для отбора полупроводниковых полимерных смесей для термостабильных органических фотоэлектрических (ОПЭ) устройств.
«Кроме того, изучая термически индуцированную деградацию границы раздела между органическим активным слоем и триоксидом молибдена (MoO3) в инвертированных органических фотоэлектрических элементах, мы продемонстрировали, что добавление тонкого промежуточного слоя бакминстерфуллерена (C60) между активным слоем и MoO3 замедляет деградацию, обеспечивая высокую термическую стабильность», — отметили исследователи.
Кроме того, чтобы понять, как влага распространяется по инкапсулированным клеткам, команда разработала двумерные (2D) кинетические модели распространения влаги по плоскости и по краям для анализа бокового распространения водяного пара. Это позволило сформулировать принципы проектирования инкапсуляции.
В результате они добавили этап горячего прессования с использованием бутиловой ленты из алюминиевой фольги (ABT) толщиной 200 мкм. Согласно результатам исследования, это позволило «снизить скорость диффузии водяного пара в боковом направлении и эффективно предотвратить попадание влаги».
В ходе тестирования сравнивалась эффективность нескольких прототипов смесей с защитным слоем из бакминстерфуллерена (C60). В них использовались различные акцепторы, такие как L8-BO, BTP-eC9, Y6 и BO-4Cl. Структура инвертированного элемента была оптимизирована следующим образом: подложка из оксида индия и олова (ITO), оксид цинка, активный слой, C60, слой для переноса дырок MoO3 и контакты из серебра (Ag).
Стратегия показала «выдающуюся стабильность» при испытаниях на воздействие влаги и перепадов температур в соответствии с протоколами Международного саммита по стабильности органических солнечных элементов (ISOS) для хранения в темноте (ISOS-D-3) и термоциклирования (ISOS-T-3).
Наиболее эффективным устройством с точки зрения производительности оказалась комбинация PM6:BO-4Cl:PC61PeA. Его сертифицированный показатель PCE составил 18,0 %, что, по словам исследователей, является одним из самых высоких показателей для устройств такого типа.
Согласно статье, устройства сохранили 94 % своей первоначальной эффективности после 1032 часов работы при температуре 85 °C и относительной влажности 85 %, а также после 200 тепловых циклов (от -40 °C до 85 °C), что является одним из самых высоких показателей для элементов, протестированных в соответствии с вышеупомянутыми протоколами ISOS.
В рамках будущей работы мы расширим подход к повышению стабильности для модулей большой площади и разработаем тонкослойную инкапсуляцию на основе барьерных материалов для печати, чтобы снизить затраты. Группа также продолжает изучать процесс деградации OSC при длительной эксплуатации.
Исследователи подробно описали многочисленные этапы исследования и его результаты в статье «Повышение устойчивости органических солнечных элементов к влажному теплу и термоциклированию», опубликованной в nature energy. Они представляют Сучжоуский институт нанотехнологий и нанобионики, Китайскую академию наук (КАН), Университет науки и технологий Китая (УНТК), Хэнаньский университет, компанию Hyper PV Technology и компанию Anhui Yangde Temperature Control Technology.