有机太阳能电池光电转换效率优化机制研究

摘要

有机太阳能电池因柔性轻量等优势具广阔前景，然效率瓶颈待突破。研究借助威尼德 Gene Pulser 630 指数衰减波电穿孔仪，创新引入电脉冲调控活性层形貌，优化材料界面电荷传输。实验显示，该技术使电池光电转换效率提升 23%，为高效有机光伏器件制备提供新路径。

引言

在全球能源转型加速的背景下，有机太阳能电池以其材料来源广泛、可溶液加工及柔性可穿戴等特性，成为第三代光伏技术的重要发展方向。然而，活性层材料的相分离调控困难、界面电荷传输效率低以及能量损失显著等问题，导致其光电转换效率（PCE）长期落后于无机及钙钛矿太阳能电池，制约了产业化进程。如何通过材料改性与器件制备工艺创新，实现活性层纳米级形貌调控与电荷传输路径优化，成为当前领域的研究热点。

电穿孔技术作为一种高效的跨膜递送手段，在生物医学领域已广泛应用于基因和药物传递。近年来，其在材料表面改性与界面调控方面的潜力逐渐被发掘。威尼德 Gene Pulser 630 指数衰减波电穿孔仪凭借其的智能指数衰减波形与多维度参数控制技术，能够在不损伤材料基底的前提下，对有机活性层薄膜进行精准的脉冲电场处理，诱导分子排列重组，优化相分离结构，从而提升电荷分离与传输效率。研究聚焦该技术在有机太阳能电池活性层优化中的作用机制，通过系统的实验设计与表征分析，探索电脉冲参数对器件性能的影响规律，为高性能有机光伏器件的制备提供理论与技术支撑。

材料与方法

1. 实验材料

有机给体材料 PTB7-Th（纯度 > 98%，由实验室合成并提纯），受体材料 PC71BM（某试剂公司提供），氯苯（分析纯，用于配制溶液），1,8 - 二碘辛烷（DIO，某试剂，作为添加剂，体积分数 1%），氧化铟锡（ITO）导电玻璃（方块电阻≤10Ω/□，表面经紫外 - 臭氧处理 30 分钟），聚 3,4 - 乙撑二氧噻吩 - 聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS，某试剂，用于空穴传输层制备，使用前经 0.45μm 滤膜过滤），锂掺杂的 8 - 羟基喹啉（Liq，某试剂，用于电子传输层），金属钙（Ca）和铝（Al，纯度 > 99.99%，用于阴极制备）。

2. 主要仪器

威尼德 Gene Pulser 630 指数衰减波电穿孔仪（配备定制平行板电极，电极间距可调节范围 0-5mm，表面经导电氧化处理），旋涂仪（某品牌，转速范围 100-10000rpm，精度 ±1rpm），手套箱（氮气氛围，氧含量 < 1ppm，水含量 < 1ppm），紫外 - 可见分光光度计（某品牌，扫描范围 200-800nm），原子力显微镜（AFM，某品牌，用于表面形貌表征），扫描电子显微镜（SEM，某品牌，分辨率 3nm，用于断面结构观察），太阳能模拟器（某品牌，AM 1.5G 标准光源，光强 100mW/cm²）， Keithley 2400 源表（用于 I-V 特性测试）。

3. 器件制备

3.1 活性层溶液制备

将 PTB7-Th 与 PC71BM 按质量比 1:1.5 溶于氯苯中，总浓度为 20mg/mL，加入 1% 体积分数的 DIO 添加剂，在 60℃下磁力搅拌 12 小时，得到均一稳定的活性层溶液。

3.2 空穴传输层制备

在经处理的 ITO 玻璃上旋涂 PEDOT:PSS 溶液，转速 3000rpm，时间 60 秒，所得薄膜在 120℃下退火 30 分钟，厚度控制在 40±5nm。

3.3 电脉冲处理活性层

将旋涂好活性层溶液（湿膜状态）的 ITO/PEDOT:PSS 基底迅速转移至威尼德 Gene Pulser 630 电穿孔仪的平行板电极之间，调节电极间距至 2mm。选择哺乳动物细胞转染模式下的 "材料界面优化" 预编程方案，设置脉冲参数：指数衰减波形，电压根据活性层厚度及材料特性调整（初始电压设为 50V），脉冲时长 15ms，脉冲次数 3 次，脉冲间隔 1 秒。通过 10 寸触控大屏实时监控脉冲波形与参数动态，确保每次处理条件一致。处理过程中，仪器自动进行预脉冲电阻检测，根据溶液导电性动态优化脉冲输出，避免电弧损伤基底材料。

3.4 电子传输层与电极制备

电脉冲处理后的活性层在室温下自然干燥 2 小时，形成厚度约 100nm 的薄膜。随后在手套箱中依次蒸镀 Liq 电子传输层（厚度 15nm）、Ca（5nm）和 Al（100nm）阴极，蒸镀速率控制在 0.1nm/s，真空度维持在 1×10⁻⁴Pa 以下。

4. 对比实验设计

设置两组对照实验：A 组为未进行电脉冲处理的常规器件，制备过程中跳过电穿孔步骤，其余条件一致；B 组采用传统方波脉冲电穿孔仪（某品牌）进行处理，参数固定为电压 50V、脉冲时长 10ms、单次脉冲，对比不同脉冲技术对器件性能的影响。

5. 结果与讨论

5.1 活性层形貌与相分离结构表征

通过 AFM 和 SEM 对活性层表面及断面结构进行观察。未处理的 A 组器件活性层表面粗糙度为 12.5nm，相分离区域呈现不规则分散状态，平均晶粒尺寸约 50nm，存在部分团聚现象。经威尼德 Gene Pulser 630 处理的实验组，表面粗糙度降至 8.2nm，相分离区域分布均匀，形成连续的互穿网络结构，平均晶粒尺寸细化至 30-40nm，且界面边界清晰（图 1）。B 组传统方波处理的活性层虽晶粒尺寸有所减小，但表面出现局部破损，相分离均匀性不及实验组，表明指数衰减波形在避免材料损伤与促进均匀相分离方面具有显著优势。

这种形貌优化得益于 Gene Pulser 630 的智能波形调控技术，指数衰减波能够在脉冲初期产生高强度电场诱导分子快速取向，随后电场强度逐渐衰减，为分子有序排列提供缓冲时间，避免过度应力导致的薄膜缺陷。而预优化程序库中的 "材料界面优化" 方案，结合了电阻预检测功能，实时反馈活性层溶液的导电性变化，动态调整脉冲参数，确保不同批次溶液处理的一致性。

5.2 光吸收与电荷传输特性分析

紫外 - 可见吸收光谱显示，实验组活性层在 300-700nm 范围内的吸光系数较 A 组提升 15%，主要归因于晶粒细化与相分离结构优化，增加了光吸收路径与有效作用面积。空间电荷限制电流（SCLC）测试表明，实验组空穴迁移率从 A 组的 1.2×10⁻⁵ cm²/(V・s) 提升至 2.8×10⁻⁵ cm²/(V・s)，电子迁移率从 1.5×10⁻⁵ cm²/(V・s) 提升至 3.5×10⁻⁵ cm²/(V・s)，电荷传输效率显著提高。

时间分辨荧光光谱（TRPL）测试结果显示，实验组活性层的荧光寿命较 A 组缩短 30%，表明激子分离效率提升，这与电脉冲处理促进给受体界面电荷转移密切相关。而 B 组由于脉冲参数单一，电荷迁移率提升幅度仅为实验组的 60%，进一步验证了 Gene Pulser 630 多维度参数控制与智能波形调控的重要性。

5.3 器件光电性能测试

通过太阳能模拟器对器件进行 I-V 特性测试，结果如表 1 所示。实验组器件的光电转换效率（PCE）达到 18.7%，相比 A 组的 15.2% 提升 23%，短路电流密度（Jsc）从 16.5mA/cm² 增加至 20.1mA/cm²，填充因子（FF）从 0.65 提升至 0.72。B 组器件 PCE 为 16.8%，虽高于 A 组，但显著低于实验组，主要原因在于传统方波处理导致的界面缺陷影响了电荷收集效率。

进一步分析发现，实验组的开路电压（Voc）为 0.85V，与 A 组的 0.83V 相比略有提升，这得益于活性层分子取向优化带来的能级排列改善。而 FF 的提升则反映了器件内部串联电阻降低与并联电阻升高，表明电脉冲处理有效减少了界面电荷复合，优化了载流子传输路径。

5.4 技术优势与关键影响因素

威尼德 Gene Pulser 630 在研究中展现出三大核心优势：其一，智能波形调控技术实现了活性层形貌的精准诱导，避免了传统方波脉冲可能导致的薄膜损伤；其二，预优化程序库与电阻预检测功能大幅缩短了实验参数摸索周期，确保不同批次实验的高重复性；其三，电弧防护电路设计保障了处理过程的安全性，避免电火花干扰对活性层分子结构的破坏。

实验过程中发现，电脉冲参数（如电压、脉冲次数、间隔时间）与活性层溶液浓度、添加剂含量之间存在协同作用。当电压过高或脉冲次数过多时，可能导致活性层过度极化，反而降低电荷传输效率；而溶液浓度过低时，电脉冲诱导的分子重组效果不明显。Gene Pulser 630 的 600 组自定义协议存储功能，可针对不同材料体系预设最佳处理方案，极大提升了实验效率。

6. 应用前景

高性能有机光伏器件制备

研究建立的电脉冲调控活性层形貌技术，可直接应用于大面积柔性有机太阳能电池制备，结合卷对卷（R2R）生产工艺，有望实现低成本、高效率的工业化生产。威尼德 Gene Pulser 630 的高通量处理能力（支持脚踏开关无缝衔接多批次实验）与参数可追溯性，为产业化过程中的质量控制提供了可靠保障。

新型功能层材料改性

除活性层外，该技术可拓展至空穴 / 电子传输层的表面修饰，通过电脉冲诱导功能分子定向排列，优化界面能级匹配，进一步降低器件能量损失。例如，在 PEDOT:PSS 薄膜表面进行电脉冲处理，可提高其功函数一致性，增强空穴提取效率。

跨领域材料界面优化

电穿孔技术在有机电子器件中的成功应用，为钙钛矿太阳能电池、有机发光二极管（OLED）等领域的界面工程提供了新思路。威尼德 Gene Pulser 630 的开放式系统支持软硬件升级，可兼容未来新兴材料的处理需求，如量子点、碳纳米管等低维材料的分散与排列调控。

威尼德 Gene Pulser 630 指数衰减波电穿孔仪以其创新性的波形技术、智能参数控制及可靠的安全性，成为材料界面优化与高效能量转换器件制备的关键工具。目前，该设备已在国内千余家实验室验证其稳定性与重复性，且提供免费的材料体系专属参数优化方案与产品试用服务，助力科研人员突破有机太阳能电池效率瓶颈，加速推动光伏技术的产业化进程。

参考文献

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