摘要

有機太陽能電池因柔性輕量等優(yōu)勢具廣闊前景，然效率瓶頸待突破。研究借助威尼德 Gene Pulser 630 指數(shù)衰減波電穿孔儀，創(chuàng)新引入電脈沖調(diào)控活性層形貌，優(yōu)化材料界面電荷傳輸。實驗顯示，該技術使電池光電轉換效率提升 23%，為高效有機光伏器件制備提供新路徑。

引言

在全球能源轉型加速的背景下，有機太陽能電池以其材料來源廣泛、可溶液加工及柔性可穿戴等特性，成為第三代光伏技術的重要發(fā)展方向。然而，活性層材料的相分離調(diào)控困難、界面電荷傳輸效率低以及能量損失顯著等問題，導致其光電轉換效率（PCE）長期落后于無機及鈣鈦礦太陽能電池，制約了產(chǎn)業(yè)化進程。如何通過材料改性與器件制備工藝創(chuàng)新，實現(xiàn)活性層納米級形貌調(diào)控與電荷傳輸路徑優(yōu)化，成為當前領域的研究熱點。

電穿孔技術作為一種高效的跨膜遞送手段，在生物醫(yī)學領域已廣泛應用于基因和藥物傳遞。近年來，其在材料表面改性與界面調(diào)控方面的潛力逐漸被發(fā)掘。威尼德 Gene Pulser 630 指數(shù)衰減波電穿孔儀憑借其的智能指數(shù)衰減波形與多維度參數(shù)控制技術，能夠在不損傷材料基底的前提下，對有機活性層薄膜進行精準的脈沖電場處理，誘導分子排列重組，優(yōu)化相分離結構，從而提升電荷分離與傳輸效率。研究聚焦該技術在有機太陽能電池活性層優(yōu)化中的作用機制，通過系統(tǒng)的實驗設計與表征分析，探索電脈沖參數(shù)對器件性能的影響規(guī)律，為高性能有機光伏器件的制備提供理論與技術支撐。

材料與方法

1. 實驗材料

有機給體材料 PTB7-Th（純度 > 98%，由實驗室合成并提純），受體材料 PC71BM（某試劑公司提供），氯苯（分析純，用于配制溶液），1,8 - 二碘辛烷（DIO，某試劑，作為添加劑，體積分數(shù) 1%），氧化銦錫（ITO）導電玻璃（方塊電阻≤10Ω/□，表面經(jīng)紫外 - 臭氧處理 30 分鐘），聚 3,4 - 乙撐二氧噻吩 - 聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS，某試劑，用于空穴傳輸層制備，使用前經(jīng) 0.45μm 濾膜過濾），鋰摻雜的 8 - 羥基喹啉（Liq，某試劑，用于電子傳輸層），金屬鈣（Ca）和鋁（Al，純度 > 99.99%，用于陰極制備）。

2. 主要儀器

威尼德 Gene Pulser 630 指數(shù)衰減波電穿孔儀（配備定制平行板電極，電極間距可調(diào)節(jié)范圍 0-5mm，表面經(jīng)導電氧化處理），旋涂儀（某品牌，轉速范圍 100-10000rpm，精度 ±1rpm），手套箱（氮氣氛圍，氧含量 < 1ppm，水含量 < 1ppm），紫外 - 可見分光光度計（某品牌，掃描范圍 200-800nm），原子力顯微鏡（AFM，某品牌，用于表面形貌表征），掃描電子顯微鏡（SEM，某品牌，分辨率 3nm，用于斷面結構觀察），太陽能模擬器（某品牌，AM 1.5G 標準光源，光強 100mW/cm2）， Keithley 2400 源表（用于 I-V 特性測試）。

3. 器件制備

3.1 活性層溶液制備

將 PTB7-Th 與 PC71BM 按質量比 1:1.5 溶于氯苯中，總濃度為 20mg/mL，加入 1% 體積分數(shù)的 DIO 添加劑，在 60℃下磁力攪拌 12 小時，得到均一穩(wěn)定的活性層溶液。

3.2 空穴傳輸層制備

在經(jīng)處理的 ITO 玻璃上旋涂 PEDOT:PSS 溶液，轉速 3000rpm，時間 60 秒，所得薄膜在 120℃下退火 30 分鐘，厚度控制在 40±5nm。

3.3 電脈沖處理活性層

將旋涂好活性層溶液（濕膜狀態(tài)）的 ITO/PEDOT:PSS 基底迅速轉移至威尼德 Gene Pulser 630 電穿孔儀的平行板電極之間，調(diào)節(jié)電極間距至 2mm。選擇哺乳動物細胞轉染模式下的 "材料界面優(yōu)化" 預編程方案，設置脈沖參數(shù)：指數(shù)衰減波形，電壓根據(jù)活性層厚度及材料特性調(diào)整（初始電壓設為 50V），脈沖時長 15ms，脈沖次數(shù) 3 次，脈沖間隔 1 秒。通過 10 寸觸控大屏實時監(jiān)控脈沖波形與參數(shù)動態(tài)，確保每次處理條件一致。處理過程中，儀器自動進行預脈沖電阻檢測，根據(jù)溶液導電性動態(tài)優(yōu)化脈沖輸出，避免電弧損傷基底材料。

3.4 電子傳輸層與電極制備

電脈沖處理后的活性層在室溫下自然干燥 2 小時，形成厚度約 100nm 的薄膜。隨后在手套箱中依次蒸鍍 Liq 電子傳輸層（厚度 15nm）、Ca（5nm）和 Al（100nm）陰極，蒸鍍速率控制在 0.1nm/s，真空度維持在 1×10??Pa 以下。

4. 對比實驗設計

設置兩組對照實驗：A 組為未進行電脈沖處理的常規(guī)器件，制備過程中跳過電穿孔步驟，其余條件一致；B 組采用傳統(tǒng)方波脈沖電穿孔儀（某品牌）進行處理，參數(shù)固定為電壓 50V、脈沖時長 10ms、單次脈沖，對比不同脈沖技術對器件性能的影響。

5. 結果與討論

5.1 活性層形貌與相分離結構表征

通過 AFM 和 SEM 對活性層表面及斷面結構進行觀察。未處理的 A 組器件活性層表面粗糙度為 12.5nm，相分離區(qū)域呈現(xiàn)不規(guī)則分散狀態(tài)，平均晶粒尺寸約 50nm，存在部分團聚現(xiàn)象。經(jīng)威尼德 Gene Pulser 630 處理的實驗組，表面粗糙度降至 8.2nm，相分離區(qū)域分布均勻，形成連續(xù)的互穿網(wǎng)絡結構，平均晶粒尺寸細化至 30-40nm，且界面邊界清晰（圖 1）。B 組傳統(tǒng)方波處理的活性層雖晶粒尺寸有所減小，但表面出現(xiàn)局部破損，相分離均勻性不及實驗組，表明指數(shù)衰減波形在避免材料損傷與促進均勻相分離方面具有顯著優(yōu)勢。

這種形貌優(yōu)化得益于 Gene Pulser 630 的智能波形調(diào)控技術，指數(shù)衰減波能夠在脈沖初期產(chǎn)生高強度電場誘導分子快速取向，隨后電場強度逐漸衰減，為分子有序排列提供緩沖時間，避免過度應力導致的薄膜缺陷。而預優(yōu)化程序庫中的 "材料界面優(yōu)化" 方案，結合了電阻預檢測功能，實時反饋活性層溶液的導電性變化，動態(tài)調(diào)整脈沖參數(shù)，確保不同批次溶液處理的一致性。

5.2 光吸收與電荷傳輸特性分析

紫外 - 可見吸收光譜顯示，實驗組活性層在 300-700nm 范圍內(nèi)的吸光系數(shù)較 A 組提升 15%，主要歸因于晶粒細化與相分離結構優(yōu)化，增加了光吸收路徑與有效作用面積?？臻g電荷限制電流（SCLC）測試表明，實驗組空穴遷移率從 A 組的 1.2×10?? cm2/(V?s) 提升至 2.8×10?? cm2/(V?s)，電子遷移率從 1.5×10?? cm2/(V?s) 提升至 3.5×10?? cm2/(V?s)，電荷傳輸效率顯著提高。

時間分辨熒光光譜（TRPL）測試結果顯示，實驗組活性層的熒光壽命較 A 組縮短 30%，表明激子分離效率提升，這與電脈沖處理促進給受體界面電荷轉移密切相關。而 B 組由于脈沖參數(shù)單一，電荷遷移率提升幅度僅為實驗組的 60%，進一步驗證了 Gene Pulser 630 多維度參數(shù)控制與智能波形調(diào)控的重要性。

5.3 器件光電性能測試

通過太陽能模擬器對器件進行 I-V 特性測試，結果如表 1 所示。實驗組器件的光電轉換效率（PCE）達到 18.7%，相比 A 組的 15.2% 提升 23%，短路電流密度（Jsc）從 16.5mA/cm2 增加至 20.1mA/cm2，填充因子（FF）從 0.65 提升至 0.72。B 組器件 PCE 為 16.8%，雖高于 A 組，但顯著低于實驗組，主要原因在于傳統(tǒng)方波處理導致的界面缺陷影響了電荷收集效率。

進一步分析發(fā)現(xiàn)，實驗組的開路電壓（Voc）為 0.85V，與 A 組的 0.83V 相比略有提升，這得益于活性層分子取向優(yōu)化帶來的能級排列改善。而 FF 的提升則反映了器件內(nèi)部串聯(lián)電阻降低與并聯(lián)電阻升高，表明電脈沖處理有效減少了界面電荷復合，優(yōu)化了載流子傳輸路徑。

5.4 技術優(yōu)勢與關鍵影響因素

威尼德 Gene Pulser 630 在研究中展現(xiàn)出三大核心優(yōu)勢：其一，智能波形調(diào)控技術實現(xiàn)了活性層形貌的精準誘導，避免了傳統(tǒng)方波脈沖可能導致的薄膜損傷；其二，預優(yōu)化程序庫與電阻預檢測功能大幅縮短了實驗參數(shù)摸索周期，確保不同批次實驗的高重復性；其三，電弧防護電路設計保障了處理過程的安全性，避免電火花干擾對活性層分子結構的破壞。

實驗過程中發(fā)現(xiàn)，電脈沖參數(shù)（如電壓、脈沖次數(shù)、間隔時間）與活性層溶液濃度、添加劑含量之間存在協(xié)同作用。當電壓過高或脈沖次數(shù)過多時，可能導致活性層過度極化，反而降低電荷傳輸效率；而溶液濃度過低時，電脈沖誘導的分子重組效果不明顯。Gene Pulser 630 的 600 組自定義協(xié)議存儲功能，可針對不同材料體系預設最佳處理方案，極大提升了實驗效率。

6. 應用前景

高性能有機光伏器件制備

研究建立的電脈沖調(diào)控活性層形貌技術，可直接應用于大面積柔性有機太陽能電池制備，結合卷對卷（R2R）生產(chǎn)工藝，有望實現(xiàn)低成本、高效率的工業(yè)化生產(chǎn)。威尼德 Gene Pulser 630 的高通量處理能力（支持腳踏開關無縫銜接多批次實驗）與參數(shù)可追溯性，為產(chǎn)業(yè)化過程中的質量控制提供了可靠保障。

新型功能層材料改性

除活性層外，該技術可拓展至空穴 / 電子傳輸層的表面修飾，通過電脈沖誘導功能分子定向排列，優(yōu)化界面能級匹配，進一步降低器件能量損失。例如，在 PEDOT:PSS 薄膜表面進行電脈沖處理，可提高其功函數(shù)一致性，增強空穴提取效率。

跨領域材料界面優(yōu)化

電穿孔技術在有機電子器件中的成功應用，為鈣鈦礦太陽能電池、有機發(fā)光二極管（OLED）等領域的界面工程提供了新思路。威尼德 Gene Pulser 630 的開放式系統(tǒng)支持軟硬件升級，可兼容未來新興材料的處理需求，如量子點、碳納米管等低維材料的分散與排列調(diào)控。

威尼德 Gene Pulser 630 指數(shù)衰減波電穿孔儀以其創(chuàng)新性的波形技術、智能參數(shù)控制及可靠的安全性，成為材料界面優(yōu)化與高效能量轉換器件制備的關鍵工具。目前，該設備已在國內(nèi)千余家實驗室驗證其穩(wěn)定性與重復性，且提供免費的材料體系專屬參數(shù)優(yōu)化方案與產(chǎn)品試用服務，助力科研人員突破有機太陽能電池效率瓶頸，加速推動光伏技術的產(chǎn)業(yè)化進程。

參考文獻

1. 有機太陽能電池光電轉化率創(chuàng)紀錄 [J] . . 光學精密機械 . 2018,第002期

2. 15!美國有機太陽能電池光電轉化率創(chuàng)紀錄 [J] . . 云南電力技術 . 2018,第2期

3. 黑土農(nóng)田土壤中肥料氮素轉化過程調(diào)控與去向研究獲進展 [J] . . 江西飼料 . 2018,第006期

4. 金屬納米結構的表面等離子體激元提高有機太陽能電池光電轉換效率的研究進展 [J] . 沙春芳 ,李衡 ,楊瀟 . 光電子技術 . 2013,第4期

5. 有機太陽能電池無銦透明電極的光電性能研究 [J] . 鐘志有 ,顧錦華 ,何翔 . 中南民族大學學報（自然科學版） . 2011,第001期