【儀表網 研發快訊】有機太陽光伏電池(OPV)因其質輕、柔性、可溶液加工等獨特優勢，在近太空、建筑一體化、物聯網等領域展現出巨大應用潛力。然而，相較于晶硅電池，OPV器件的長期運行穩定性，尤其是在嚴苛環境(如高溫高濕、冷熱交替循環)下的可靠性，尚未得到充分驗證。隨著有機光伏電池效率的逐步提升，提升器件的本征與環境穩定性是亟待解決的重大問題。在前期OPV穩定性研究工作積累的基礎上(Materials Advances1, 1307 (2020),Molecules28,6856 (2023)，Chem. Eng. J.503,158694 (2025)，ACS Appl. Mater. Interfaces17,15456 (2025) )，中國科學技術大學納米技術與納米仿生學院(蘇州納米所)印刷薄膜光伏實驗室針對有機光伏電池濕熱和冷熱循環極端環境穩定性提升需求，提出了從材料本征熱穩定性篩選、器件功能界面優化、器件封裝方法開發三個方面同步優化的系統解決策略，首次實現高效率有機光伏電池在85℃/85%RH濕熱條件以及-40℃至85℃的熱循環條件下的優異穩定性結果(圖1)，證實了高效有機光伏電池的濕熱及冷熱循環可靠性。
對于提升OPV器件有機半導體材料本征穩定性而言，首先如何準確表征有機光伏電池共混薄膜的微觀形貌熱穩定性并揭示其與器件穩定性的關聯關系是領域內的技術難點。玻璃化轉變溫度(Tg)被視為表征聚合物熱穩定性的重要指標。然而，傳統的聚合物Tg量熱測試方法并不適用于共混薄膜的熱穩定性表征。研究團隊在現有的共混薄膜吸收光譜溫度依賴性測試方法的基礎上，提出了基于紫外可見光吸收光譜變化曲線微分得到的吸收變化的起始溫度(Tonset)作為表征活性層微觀形態熱轉變的新方法，實現快速、定量地表征共混薄膜長時間熱穩定性，并據此篩選出高熱穩定性的給受體材料組合。利用該方法，研究團隊發現交聯富勒烯摻雜可普遍并顯著提升共混薄膜的Tonset，這為從材料源頭設計高穩定OPV器件提供了普適性方法。
在定量表征有機共混薄膜微觀形貌熱穩定性的基礎上，研究團隊細致研究了高效率倒置結構有機薄膜光伏電池的熱穩定性。對比研究發現，器件在受熱條件下的效率初始衰減“burn-in”主要源自于有機活性層與MoO3界面處的熱誘導界面失效；通過在活性層與MoO3之間插入C60中間層，有效緩解了界面副反應，提升高效率有機光伏電池的熱穩定性。結合使用交聯富勒烯摻雜三元體系，所制備的有機光伏電池器件獲得了優異的長時高溫(85ºC及150ºC)穩定性。
在材料及器件結構穩定的基礎上，有效可靠的封裝方法是實現有機薄膜光伏電池長時間環境可靠性的保障。針對空氣中穩定性與水汽滲透動力學關系問題，研究團隊通過建立水汽經由垂直邊緣的一維擴散以及延對角線的二維擴散動力學方程，首次定量解析二維擴散速率與一維擴散速率，發現二維擴散是邊緣一維擴散的1.54倍。同時，建立了水汽通過封裝側面沿封裝膠擴散和通過膠層/基底接觸面擴散，這兩種不同路徑下的擴散動力學方程，從而精確量化出封裝側面水汽擴散路徑比例。該側面封裝水汽滲透模型有效地指導了封裝結構設計與優化。
在封裝模型指導下，團隊構建了基于鋁箔丁基膠帶的封裝結構，封裝后的有機光伏電池在嚴苛的濕熱測試(85°C/85% RH,1032小時)和熱循環測試(-40℃至85°C,200次)后，效率保持率均高達94%以上。本工作獲得的穩定性結果是當前高效率OPV器件在濕熱以及冷熱循環極端環境下可靠性方面的重大進展，該研究突破了高效率有機光伏電池的穩定性發展瓶頸，不僅證實了OPV具備優異的環境可靠性，更為提升有機光伏電池在嚴苛環境下的穩定性提供了堅實的科學技術依據和具體的實施策略。
上述研究成果以Improved damp heat and thermal cycling stability of organic solar cells為題發表于《自然·能源》。文章以中國科學技術大學納米技術與納米仿生學院為第一署名單位，第一作者是中國科學技術大學2023級博士生秦健，通訊作者為馬昌期研究員與駱群研究員。研究獲得了國家自然科學基金、中國科學院特別研究助理項目等資助，并得到中國科學院蘇州納米所納米真空互聯實驗站的支持。
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