缓冲层提高有机聚合物光伏电池性能研究

在分析有机聚合物复合体光伏电池机理及等效电路模型基础上,研究了界面旋涂缓冲层对聚合物给体/受体复合体结构光伏器件性能的影响.制备了基于P3HT/PCBM的给体 受体复合体薄膜有机光伏电池,并分别在有机活性层和ITO基底之间以及有机活性层和电极之间插入TFB和F8BT缓冲层.实验证明：在ITO和活性层之间旋涂TFB作为阳极缓冲层,可增加有机聚合物光伏器件的短路电流,在活性层和电极之间插入F8BT作为阴极缓冲层,可增大光伏器件的开路电压,提高器件的转换效率.     

免光学间隔层的高效聚合物太阳能电池

使用相对聚(3乙基噻吩)(P3HT)具有更低能带结构的聚{[9-(1辛基壬基)-9H-咔唑-2,7-2基]-2,5-噻吩二基-2,1,3-苯并噻二唑-4,7-二基-2,5噻吩二基}(PCDTBT)作为电子给体材料和较C60衍生物(PC60BM)具有更广光谱吸收能力的C70衍生物(PC70BM)作为电子受体材料构建共混体系活性层,制备有机聚合物太阳能电池。通过控制活性层薄膜生长速度、环境得出在N2环境中静置10min时聚合物电池达到了5.65%的高光电转换效率(PCE)。然后,通过进一步优化活性层薄膜厚度短路电流密度大幅提升至14.2mA/cm2,PCE达到5.84%。结果表明,在不使用TiOx等光学间隔层的情况下,通过控制活性层薄膜生长过程和优化活性层薄膜厚度也可以大幅增加短路电流密度,获得高的PCE。     

全湿法制备聚合物电致发光器件

利用全溶液方法制备了聚合物电致发光器件并研究了器件的性能。器件的所有膜层,包括发光层和上电极层均采用溶液湿法获得,完全摒弃了真空蒸镀工艺。利用二次溶剂掺杂获得的PEDOT∶PSS聚合物薄膜的电导率达到608.7 S/cm。在240 nm的厚度时,聚合物电极膜层的面电阻约为68 Ω/□; 当膜层厚度为1 μm时,薄膜的面电阻可低于16 Ω/□。采用溶液滴涂方法制备的高电导PEDOT∶PSS聚合物薄膜作为上电极替代通常所用的铝电极,所制备的聚合物发光器件的开启电压约为4 V。     

基于新型复合传输层的有机太阳能电池模组器件（英文）

通过刮涂制备薄膜衬底和真空蒸镀有机小分子材料来构筑复合界面传输层,制备了大面积有机太阳能电池模组器件。通过透射光谱、传输层粗糙度形貌、表面浸润性、不同衬底的光吸收层粗糙度形貌、刮涂的均匀性研究了同传输层对OSCs器件性能的影响。实验结果表明,当在AZO衬底表面蒸镀一层电子致密层时,即新型复合传输层并未影响基片在300～900 nm范围内的透过率,并且BPhen电子致密层可以有效地提高基片表面的平整度和浸润性,这也有利于后续光吸收层溶液的刮涂,提高涂膜的质量和稳定性。通过不同基底刮涂光吸收层薄膜表面粗糙度以及形貌图,其新型复合传输层作为衬底刮涂出的光吸收层薄膜的表面粗糙度有了明显的降低,表明平整的基底有利于刮涂出表面均一的薄膜。由此制备的基于新型复合传输层的刚性、柔性模组器件的开路电压(V_(oc))、短路电流密度(J_(sc))和填充因子(FF)都有大幅度的提高。最终制备的新型刚性模组器件光电转化效率(PCE)提高到10.62%,提升了约13%;柔性模组器件的光电转化效率(PCE)达到5.13%,提升了32%。     

镀膜法改善有机薄膜太阳能电池光学性能

有机活性材料的低载流子迁移率使得有机光伏电池的电极收集到的电荷较少。增加活性层光吸收能够增加激子的产生数从而增加电极收集到的电荷,提升器件的性能。通过对器件模拟的方法,研究以P3HT：PCBM为活性层的薄膜太阳能电池的光学性能。 在此基础上,提出采用镀多层高反射膜的方法改善电池器件的光学性能。结果表明：活性层厚度对电池器件的光吸收起到主导作用;镀多层高反射膜在活性层厚度小于160 nm、Ag厚度小于20 nm时能大幅度改善电池器件的光学性能,光生激子总数随活性层厚度的增加而迅速增多,并且在活性层厚度约为150 nm时为一个最佳值。     

基于传输矩阵法的聚合物太阳能电池光学性能分析

采用基于传输矩阵法的光学模型及Matlab软件,模拟了以聚合物P3HT:PCBM为活性层的倒装太阳能电池,并分析了模拟电池的吸光率及其内部光电场分布。探讨了厚度、入射角度以及新结构对电池光学性能的影响。模拟结果表明,电池的光吸收主要由活性层厚度决定,分别随着电子传输层和空穴传输层厚度的增加而下降。当光入射角度增大时,由于光程的增加电池的吸光率随之增加,在40°入射角时达到最大;由于其他光学作用,器件吸光率在40°入射角以后反而降低;证明了光斜入射时电场在整个器件中分布是不连续的。通过在基本结构的适当位置插入一层薄膜构成的微腔器件,由于光学共振效应能够有效提高电池的光吸收。     

金属纳米薄膜在石墨基底表面的动力学演化

采用分子动力学方法研究了金属Au和Pt纳米薄膜在石墨(烯)基底表面的动力学演化过程,探讨了金属薄膜和石墨(烯)基底间的相互作用对金属纳米薄膜在固态基底表面的去湿以及脱附的动力学演化的影响.研究结果表明,在高温下,相同层数的Au和Pt纳米薄膜在单层石墨基底表面上存在不同的去湿现象,主要表现为厚度较小的Pt纳米薄膜在去湿过程中有纳米空洞形成,而同样厚度的Au薄膜在去湿过程中没有形成空洞.Au和Pt两种金属薄膜在高温下都去湿形成纳米液滴,这些液滴最终都以一定的速度脱离基底.在模拟的薄膜厚度范围内(0.2—2.3 nm),Au和Pt纳米液滴脱离基底的速度随厚度增加表现出不同的变化规律.Pt纳米液滴的脱离速度随薄膜初始厚度的增加先增加后减少,而Au脱离速度随厚度的增加先减少,达到一个临界厚度后脱离速度突然迅速增加.利用薄膜与基底间相互作用的不同导致去湿过程中的黏滞耗散不同,定性分析了这种变化规律的原因.此外,进一步研究还发现金属液滴的脱离时间与薄膜厚度和模拟温度的依赖关系,发现脱离时间随薄膜厚度的增加而增加,随模拟温度的升高而减小.这些研究结果可以为金属镀膜、浮选、表面清洁、器件表面去湿等工业生产过程提供理论指导.     

基底温度对电子束蒸发制备氧化铝薄膜的影响

为了考察基底温度对氧化铝薄膜折射率以及沉积厚度的影响情况,在不同基底温度环境下,通过离子辅助电子束蒸发方式,在玻璃基底上制备了同一Tooling因子条件下所监测到相同厚度的Al2O3薄膜,利用分光光度计测量光谱透过率,依据光学薄膜相关理论,计算了基底温度在25℃～300℃范围内获得的膜层实际物理厚度为275.611 nm～348.447 nm,以及膜层折射率的变化。通过对实验结果的数值计算和曲线模拟,给出了基底温度对于薄膜的折射率和实际厚度的影响情况。     

化学浴沉积法制备CdS多晶薄膜

利用化学浴沉积法制备适合于铜铟镓硒薄膜太阳能电池缓冲层材料的CdS多晶薄膜,研究了在不同温度和不同时间下沉积薄膜的性质．薄膜生长开始由ion-by-ion机制控制,随着时间的进行,cluster-by-cluster机制占据主导．薄膜的生长速度随着沉积温度的升高而快速增加,直到达到饱和厚度．并且饱和厚度随温度升高而相应降低．SEM表明随沉积时间增加以及温度升高,薄膜表面形貌从多孔到粗糙的不均匀转变．XRD结果显示,薄膜由立方和六方两相结构组成,控制沉积时间对薄膜的主要晶相结构很关键．所有温度下沉积的CdS     

ZnS/CdS复合窗口层对CdTe太阳能电池短波光谱响应的影响

采用磁控溅射法制备了ZnS/CdS复合窗口层,并将其应用于CdTe太阳能电池。对所制备薄膜的形貌和结构等进行了研究。测试了具有不同窗口层的CdTe太阳电池的量子效率和光Ⅰ-Ⅴ特性,分析了ZnS薄膜制备条件对CdTe电池器件性能影响;研究了CdS薄膜厚度和ZnS/CdS复合窗口层对短波区透过率以及CdTe太阳电池的光谱响应的影响。着重研究了具有ZnS/CdS复合窗口层的CdTe太阳电池的短波光谱响应。结果表明,CdS窗口层厚度从100 nm减至50 nm后,其对短波区光子透过率平均提高了18.3%,CdTe太阳电池短波区光谱响应平均提高了27.6%。衬底温度250 ℃条件下制备的ZnS晶粒尺寸小于室温下制备的ZnS。具有ZnS/CdS复合窗口层的CdTe电池中,采用衬底温度250 ℃沉积ZnS薄膜来制备窗口层的电池器件,其性能要优于室温下沉积ZnS制备窗口层的电池器件。这说明晶粒尺寸的大小对电子输运有一定影响。在相同厚度CdS的前提下,具有ZnS/CdS复合窗口层的CdTe电池比具有CdS窗口层在短波的光谱响应提高了约2%。这说明ZnS/CdS复合窗口层能够做到减少对短波光子的吸收,从而使更多的光子被CdTe电池的吸收层吸收。     

掺杂石墨烯量子点对P3HT:PCBM太阳能电池性能的影响

为研究掺杂石墨烯量子点(GQDs)对聚合物电池的影响,采用溶剂热法制备了GQDs,掺杂到聚3-己基噻吩和富勒烯衍生物(P3HT∶PCBM)中作光敏层制备了聚合物太阳能电池。掺杂不同浓度的GQDs后,聚合物电池的开路电压和填充因子都比未掺杂器件高。GQDs掺杂质量分数为0.15%时,形成的掺杂薄膜平整、均匀,填充因子提高了17.42%。GQDs经还原后,随还原时间的延长,填充因子FF增大。到45 min时,电池的FF基本稳定,从31.57%提高至40.80%,提高了29.24%。退火后,获得了最佳的掺杂GQDs的聚合物太阳能电池,开路电压Voc为0.54 V,填充因子FF为55.56%,光电转换效率为0.75%。     

不同环境压强下溶剂退火对聚合物太阳能电池性能的影响

通过改变溶剂退火时的环境压强控制溶剂的蒸发速率,在不同压强下进行加压溶剂退火制备了基于聚-3己基噻吩:富勒烯衍生物(P3HT:PCBM)的体异质结聚合物太阳能电池。X射线衍射(XRD)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)以及原子力显微镜(AFM)的测试结果表明,增大溶剂退火的环境气压改善了薄膜的结晶度,增强了有源层的光吸收,提高了P3HT和PCBM的相分离程度,更有利于激子的解离和载流子传输。与在常压下溶剂退火相比,在2.0 MPa压强下对有源层进行溶剂退火的器件的光电转换效率提高了29%,达到了3.69%。     

二甲基亚砜添加剂对聚合物太阳能电池性能的影响

研究了二甲基亚砜(DMSO)掺杂浓度对基于聚(3-己基噻吩)(P3HT)和(6,6)-苯基碳60丁酸甲酯(PCBM)为有源层的聚合物太阳能电池性能影响。结果表明,掺杂DMSO可以提高聚合物太阳能电池短路电流密度和填充因子。DMSO掺杂质量比为3%时,电池短路电流密度提高到7.88 mA·cm-2,填充因子为55.5%。能量转换效率达到2.54％,相比没有掺杂DMSO的电池,能量转换效率提高了17%。傅里叶变换红外光谱被用于鉴定和分析掺杂DMSO对材料P3HT∶PCBM化学性质的影响。傅里叶变换红外光谱表明,掺杂后P3HT和PCBM的化学性质都没有改变。为分析掺杂DMSO改善器件能量转换效率的原因,通过紫外-可见光谱和电流密度-电压特性曲线分别表征器件的光吸收能力以及电致发光器件的载流子迁移率。与P3HT∶PCBM薄膜相比,P3HT∶PCBM∶DMSO薄膜在可见光范围内的吸收峰有明显红移且吸收强度增强。可见光吸收的改善是实现短路电流密度提高的有力保障。太阳能电池性能的增强是因为DMSO的掺杂提高了P3HT∶PCBM的载流子迁移率和吸收光谱宽度。     

Inverted organic solar cells comprising low-temperature-processed ZnO films

Inverted organic solar cells are fabricated using low-temperature-annealed ZnO film as an electron transport layer. Uniform ZnO films were prepared by spin coating a diethylzinc (DEZ) precursor solution in air, followed by annealing at 100 °C. Organic solar cells prepared on these ZnO films with a 1:1 P3HT:PCBM blend as the active layer show a high power conversion efficiency of 4.03 %, which is more than 10 % higher than the PCE of solar cells comprising ZnO prepared via a high-temperature sol–gel route.     

Effect of solvents on the performance and morphology of polymer photovoltaic devices

In the polymer photovoltaic devices (PVDs), the performance of devices was strongly influenced by region-regularity, number average molecular weight and casting solvents of polymers. In this work, we fabricated p–n bulk-hetero-junction PVDs based on poly(3-hexylthiophene) (P3HT) and [6,6]-phenyl-C₆₀-butyric acid methyl ester (PCBM) using various solvents such as chloroform (CF), chlorobenzene (CB), dichlorobenzene (DCB), and mixed solvent (CF/CB, CF/DCB). Thin film of active layer with P3HT/PCBM was prepared by spin coating and thermal annealing at 150 °C with fixed thickness about 110 nm by adjusting solution concentration. The crystalline morphology and layered phase for the active layer were studied by atomic force microscopy and X-ray diffraction, respectively. We investigated the performance of solar cells according to different morphology and crystallinity of active layer by various solvent and mixed solvent.     

阴极缓冲层对于不同惰性气氛气压退火处理的 P3HT∶PCBM光伏性能的影响

制备了基于聚(3-己基噻吩)(P3HT)与可溶性富勒烯衍生物(PCBM)共混体系的太阳能电池。通过改变活性层退火处理时惰性气氛环境的压强,在一定程度上实现对共混物相分离以及聚合物结晶度的控制,研究了LiF作为阴极缓冲层对不同压强下退火处理的器件性能的影响。实验发现,LiF层的关键作用在于稳定开路电压以及提升短路电流,从而带动转化效率整体提升。结果表明,LiF层可以改善器件活性层与金属电极接触的界面形态,而器件的最终性能则由活性层的微观形貌与电极界面形态共同决定。     

Improved performance of polymer solar cells by using inorganic,organic, and doped cathode buffer layers

The interface between the active layer and the electrode is one of the most critical factors that could affect the device performance of polymer solar cells. In this work, based on the typical poly(3-hexylthiophene):[6,6]-phenyl C61-butyric acid methyl ester(P3HT:PCBM) polymer solar cell, we studied the effect of the cathode buffer layer(CBL) between the top metal electrode and the active layer on the device performance. Several inorganic and organic materials commonly used as the electron injection layer in an organic light-emitting diode(OLED) were employed as the CBL in the P3HT:PCBM polymer solar cells. Our results demonstrate that the inorganic and organic materials like Cs_2CO_3, bathophenanthroline(Bphen), and 8-hydroxyquinolatolithium(Liq) can be used as CBL to efficiently improve the device performance of the P3HT:PCBM polymer solar cells. The P3HT:PCBM devices employed various CBLs possess power conversion efficiencies(PCEs) of 3.0%–3.3%, which are ca. 50% improved compared to that of the device without CBL. Furthermore, by using the doped organic materials Bphen:Cs_2CO_3 and Bphen:Liq as the CBL, the PCE of the P3HT:PCBM device will be further improved to 3.5%, which is ca. 70% higher than that of the device without a CBL and ca. 10% increased compared with that of the devices with a neat inorganic or organic CBL.     

基于金颗粒自组装烷基硫醇为缓冲层的有机太阳能电池

有机活性层和无机电极的界面修饰影响到有机太阳能电池性能。本文引入金纳米颗粒自组装烷基硫醇,改善有机/无机的界面。制备“ITO/金颗粒-硫醇自组装缓冲层/聚3-己基噻吩(P3HT)∶[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)/LiF/Al电极”结构的器件。自组装硫醇防止了因金颗粒与活性层直接接触导致的激子猝灭效应。我们研究了金纳米颗粒自组装不同链长的烷基硫醇对器件性能的影响,烷基硫醇的烷基链越长,硫醇对金颗粒的覆盖性越好,器件的短路电流越高。金纳米颗粒自组装十二烷基硫醇,短路电流J_SC由5.19 mA·cm-2提升到6.24 mA·cm-2,提高了20%。     

Fe3O4纳米粒子对P3HT:PCBM电池的影响

为了提高太阳能电池的性能,研究磁性纳米粒子在外加磁场的作用下对聚合物太阳能电池有源层P3HT:PCBM成膜及太阳能电池性能的影响。本文采用热分解法制备了磁性Fe₃O₄纳米粒子,将不同质量分数的Fe₃O₄纳米粒子掺入到P3HT:PCBM溶液中,旋涂后在外加磁场的作用下自组成膜。通过TEM、XRD对制备的Fe₃O₄纳米粒子进行表征,并利用偏光显微镜、原子力显微镜对成膜质量进行探究。结果表明,采用热分解法制备的Fe₃O₄纳米粒子直径在10 nm左右,在外加磁场作用下,Fe₃O₄纳米粒子对成膜有一定的调控作用。当Fe₃O₄纳米粒子掺杂质量分数为1%时,太阳能电池器件的开路电压增加3.77%,短路电流增加24.93%,光电转换效率提高7.82%。     

三元P3HT:PTB7-Th:PCBM聚合物太阳能电池性能的研究

将窄带隙聚合物PTB7-Th作为第三种物质掺入到P3HT:PCBM中制备了双给体结构的三元聚合物太阳能电池, 并且通过改变PTB7-Th的浓度来研究PTB7-Th对器件性能的影响. 研究发现, 掺入PTB7-Th后, 聚合物太阳能电池的短路电流和填充因子同时获得了提高, 使器件的光电转换效率得到了改善. 进一步分析表明, PTB7-Th的加入能够拓宽活性层的吸收光谱, 增加活性层吸收的光子数目, 有利于短路电流的提升. PTB7-Th与P3HT之间以电荷转移的形式相互作用, 这种作用方式有利于激子的解离, 从而使器件的填充因子得到了提高.