有机太阳能电池拥有低制造成本、可溶液加工、质轻且柔性等特点，作为一种清洁能源转化方法备受关注。现在有机太阳能电池的光电转换效率（PCE）在单层器件中已经突破13%，而叠层器件的效率在逐步逼近14%。不过稳定性不佳依然是限制有机太阳能电池实际应用的大问题。
有机太阳能电池的降解非常复杂，很难用一个简单的过程描述。通常认为，其降解主要是由于受到氧气及水蒸气的影响，导致活性层与空气发生不希望发生的反应。尽管这种降解可以通过合适的包封进行缓解，但目标器件的降解还会发生，主要由于热导致的活性层形貌不稳定。中国台湾逢甲大学张志宇（Chih-Yu Chang）教授和台湾交通大学孟心飞（Hsin-Fei Meng）教授等科学家最近在ChemSusChem 报道了一种长期稳定且高效的大面积聚合物-富勒烯有机太阳能电池，初始PCE可达9.57%，在环境条件下工作2年之后，PCE仍能够保持最初的65%，创造了新的记录。
作者采用的策略包括：（1）利用能够快速干燥的刮刀涂膜方式并同时热退火，实现活性层的形貌优化；（2）插入界面层优化活性层与界面之间的界面特性。作者选用刮刀涂膜是因为它是一种简单而且可以规模化的涂膜工艺。
本文中用到的活性层材料的化学结构以及用到的器件结。图片来源：ChemSusChem
首先，作者研究了不同的涂膜方式。以P3HT体系进行稳定性测试，42天后利用旋涂工艺溶剂退火的PCE从3.43%下降到0.58%，下降了80%。95天后，旋涂工艺且利用溶剂退火及热退火的器件PCE从3.54%下降到1.36%，下降了60%。然而，刮刀旋涂的器件，热退火后经过120天，效率从3.4%下降到2.2%，只下降了35%。
为了获得更深入的信息，作者获得了P3HT体系热退火的原子力显微镜图（下图）。旋涂制备的薄膜比刮刀涂膜的粗糙度更大，而且均方粗糙度数值分别是0.9 nm与14.3 nm。旋涂的混合薄膜具有较大的晶粒尺寸，而且有较大的表面积，这使其可更有效的与阴极接触，促进电子的抽取及收集。稳定性测试表明旋涂器件稳定性较差，这可能就是归因于有机/阴极界面的降解。刮刀涂膜的薄膜表面平滑，这带来了较为理想的有机/阴极界面，导致更好的稳定性。
P3HT体系140 ℃热退火20分钟的原子力显微镜的高度图。图片来源：ChemSusChem
作者还研究了热退火处理的影响。不同的涂膜方式基于PBDTTT-C-T器件性能稳定性的研究表明，85天后，没有热退火的器件PCE从6.99%下降到2.26%，下降了70%。260天之后，经过热退火的器件PCE从4.21%下降到3.21%，仅下降了25%。但是，在初始阶段，经过热退火的器件效率却比不进行热退火的器件效率低。这说明，适当的热退火是可以增加器件的稳定性，文中用到的热退火均为80 ℃下30 s。
PBDTTT-C-T:PC71BM体系有无热退火器件参数变化。图片来源：ChemSusChem
对于PBDTTT-EFT体系的稳定性研究表明，160天后，没有退火的器件PCE从9.75%下降到2.83%，下降了70%。而经过热退火的器件，310天后，效率从9.57%下降到4.61%，只下降了50%。这说明，热退火提高了一样提高了PBDTTT-EFT体系器件的稳定性。
PBDTTT-EFT体系器件参数变化。图片来源：ChemSusChem
作者研究了两个体系的正装与倒装结构的效率稳定性。从下图可以看出，传统正装器件的PCE下降比例要比倒装器件的多，这说明了倒装器件具有更好的长期的稳定性。
P3HT体系以及PBDTTT-EFT正装与倒装的稳定性图。图片来源：ChemSusChem
为了测试大面积电池的稳定性，作者将P3HT体系制成了活性面积为216 cm2 的大面积器件。封装处理后，置于室温空气的黑暗条件下，110天后仍然保持了最初效率的70%。
——小结——
有机太阳能电池发展了20多年，当大多数课题组在修饰结构拼效率的同时，这种关于稳定性的研究尤为显得更要。笔者希望有更多的科学家关注该方面的研究，这才是通向产业化的重中之重。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Toward Long-Term Stable and Efficient Large-Area Organic Solar Cells
ChemSusChem, 2017, DOI: 10.1002/cssc.201700601
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