双面进光太阳能电池透明对电极研究进展

近年来,太阳能电池（包括染料敏化、量子点敏化及钙钛矿太阳能电池）因其成本低、质量轻、效率高受到研究人员的广泛关注.双面进光太阳能电池是太阳光能通过光阳极以及透明对电极同时入射的器件,是近年来扩宽太阳能电池光利用率及能效以达到提高器件光电性能的主要手段,其中透明对电极的性能直接影响器件的背面进光效率,因此研究对电极对提高双面进光太阳能电池光电转化效率十分必要.本文针对传统对电极透光性低,成本高,光利用率低等问题,与双面进光的高光电转换效率以及低成本等特点对比,综合分析了透明对电极材料的选择及界面修饰改性等对双面进光染料敏化、量子点敏化及钙钛矿太阳能电池光电性能的影响及其应用前景.     

炭-/石墨烯量子点在超级电容器中的应用

炭-/石墨烯量子点作为新兴的炭纳米材料,因具有独特的小尺寸效应和丰富的边缘活性位点而在高性能超级电容器电极材料的研发方面展现出巨大潜力。针对目前炭-/石墨烯量子点在超级电容器电极材料方面的应用优势和存在的关键问题,本文以炭-/石墨烯量子点、量子点/导电炭复合材料、量子点/金属氧化物复合材料、量子点/导电聚合物复合材料以及量子点衍生炭这些电极材料为脉络,梳理了近年来该领域的发展状况,尝试阐释炭-/石墨烯量子点在电极材料、复合材料和衍生炭电极材料中所起到的关键作用,最后对炭-/石墨烯量子点电极材料的发展进行了展望。本综述以期为炭-/石墨烯量子点基电极材料的研究提供一定参考和依据。     

电极界面缓冲层对P3HT:PC61BM太阳能电池热稳定性的影响

基于溶液法加工制备的聚合物太阳能电池的高温热稳定性是决定器件能否兼容后续高温热封装工艺, 如热压封装、高温原子层沉积(ALD)等的一个关键. 本文分别利用聚(3, 4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)和MoO₃作为阳极缓冲层, 以及ZnO和LiF 作为阴极缓冲层, 制备了结构为氧化铟锡(ITO)/阳极缓冲层/3-己基取代聚噻吩:(6, 6)-苯基C₆₁-丁酸甲酯(P3HT:PC₆₁BM)/阴极缓冲层/Al 的太阳能电池, 系统地比较研究了不同界面缓冲材料对器件光电转换性能及稳定性的影响, 特别是在高温煺火条件下器件的性能稳定性差异. 结果表明, 聚合物太阳能电池的热稳定性同器件的结构以及所用的缓冲层材料有密切的相关性. 其中, 利用MoO₃及ZnO分别作为阳极与阴极界面修饰层的P3HT:PC₆₁BM器件在120-150 ℃的温度范围内能够较好地保持器件的光电转换性能. 这一结果为后续需要高温封装工艺的器件提供了有意义的结构优化指导. 此外, 研究结果还表明利用ZnO作为阴极缓冲层能够改善器件的长时间稳定性.     

阴极界面修饰层改善平面p-i-n型钙钛矿太阳能电池的光伏性能

有机/无机杂化金属卤化物钙钛矿半导体材料结合了有机材料良好的溶液可加工性以及无机材料优越的光电特性,近几年受到了热捧,成为太阳能电池领域一颗耀眼的明星. 伴随着钙钛矿薄膜结晶过程和形貌的优化、器件结构的改进以及电极界面材料的开发,这类有机/无机杂化金属卤化物钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从最初的3.8%迅速提高到目前最高的22.1%. 其中界面工程在提升器件性能上发挥着极其重要的作用. 本文总结了平面p-i-n型钙钛矿太阳能电池中阴极界面修饰层（CBL）的研究进展. CBL从材料上讲可分为无机金属氧化物、金属或金属盐以及有机材料,从构成上讲可分为单层CBL、双层CBLs以及共混型CBL. 本文对这些类型的CBL分别给予详细的介绍. 最后,我们归纳出CBL在改善器件效率和稳定性上所起的作用以及理想CBL所应满足的要求,希望能为以后阴极界面修饰材料的设计提供一定的借鉴.     

电极材料对NPB/Alq3有机电致发光器件性能的影响

采用不同材料作为有机电致发光器件(OELDs)的电极, 制备了基本结构为[阳极/NPB(40 nm)]/Alq3(50 nm)/阴极]的异质结双层器件, 并通过改变OELDs器件的阴极或阳极来研究电极材料对器件光电性能的影响. 研究结果表明, 各器件电流-电压(I-V)关系的基本特征与陷阱电荷限制电流(TCLC)机制的拟合情况相符. 由于有机材料本身能级的无序性以及载流子迁移率对温度和电场的依赖性, 不同电极的载流子注入能力与其功函数并无直接关系. 双层器件中由于空穴传输层的引入, 使得载流子复合区域位于有机层异质结界面处, 降低了金属阴极对激子的猝灭作用, 从而大大提高了器件性能. 此外, 金属电极OLEDs器件结构具有的微腔效应会导致发射光谱的位移和谱峰宽度变窄, 这表明通过对金属电极的表面改性和优化可使器件性能超过常规结构的器件.     

石墨烯基杂化材料在微生物燃料电池电极中的应用

微生物燃料电池（MFC）是利用生物催化剂将污水有机物中的化学能直接转化为电能的技术,因其功率密度和能量转化效率低,电极制作成本高,限制了其大规模实际应用。因此如何提高电极的催化性能并降低电极制作成本成为MFC的研究重点方向。由于石墨烯基杂化材料具有良好的导电性和催化特性,因此石墨烯基杂化材料成为在MFC电极应用中的热点之一。本文综述了近年来MFC石墨烯基杂化电极材料的最新研究进展,重点讨论了改性石墨烯电极、金属及非金属/石墨烯杂化电极、金属氧化物/石墨烯杂化电极、聚合物/石墨烯杂化电极和石墨烯凝胶电极的设计思路和制备方法及其催化性能,着重分析了石墨烯基阳极和阴极杂化材料对MFC产电性能的影响。最后对石墨烯基杂化材料在MFC应用中存在的问题及研究前景进行了总结和展望。     

水/醇溶聚合物界面材料在聚合物光电器件中的应用及性能研究

系统研究了系列不同共轭与非共轭水/醇溶聚合物作为界面修饰材料在聚合物发光二极管和聚合物太阳电池中的应用及结构性能关系. 研究了界面层厚度, 器件金属电极功函对材料界面修饰性能的影响. 在此基础上, 系统对比研究了共轭与非共轭水/醇溶聚合物界面材料在不同聚合物光电器件中界面修饰性能的差别. 内建电势测试与器件研究结果表明, 在聚合物发光二极管中, 共轭材料表现出明显优于非共轭材料的性能, 特别是在超高功函数的金属金电极器件中, 共轭的水/醇溶聚合物材料依然表现出很好的电子注入/传输性能; 在聚合物太阳电池中, 共轭材料的界面修饰性能也优于非共轭类界面修饰材料.     

用于聚合物太阳能电池的芳香亚胺类阴极修饰材料及其研究进展

聚合物太阳能电池作为一种新型太阳能电池,具有质量轻、成本低、易于大面积制备等突出优势,在学术界和工业界引起了广泛关注.近年来,聚合物太阳能电池能量转换效率提高迅速,单结器件效率值已超过17%.在器件优化中,构建高效阴极有机修饰层成为提高光伏器件效率与稳定性的重要策略之一.芳香亚胺类阴极修饰材料因具有大共轭平面、优异的电子传输性能、丰富的化学修饰位点以及合适的能级等特点近年来备受关注.本文简单介绍了阴极修饰层材料的功能,总结和评述了苝酰亚胺和萘酰亚胺类阴极修饰材料的研究进展,最后结合实际应用的要求展望了这类材料的未来发展趋势与前景.     

基于石墨烯修饰电极的电化学生物传感

石墨烯是一种具有单原子厚度的二维碳纳米材料,具有大的比表面积、高的导电性和室温电子迁移率,以及优异的机械力学性能.石墨烯还具有电化学窗口宽,电化学稳定性好,电荷传递电阻小,电催化活性高和电子转移速率快等电化学特性.化学修饰石墨烯,特别是氧化石墨烯(GO)和还原氧化石墨烯(rGO),可以被宏量、廉价地制备出来.它们具有可加工性能,可以被组装、加工或复合成具有可控组成和微结构的宏观电极材料.因此,石墨烯及其化学修饰衍生物是用于电化学生物传感的独特而诱人的电极材料.例如,GO是一种化学修饰石墨烯,也是石墨烯的重要前驱体;其边缘具有大量的羧基可用于共价固定酶,从而能实现酶电极的生物检测.在GO上的不可逆蛋白吸附也可以促进蛋白质的直接电子转移以提高其电化学检测性能.但是,GO大量的含氧官能团破坏了石墨烯本征的共轭结构,降低了其电学性能并限制了其实际应用.GO可以通过化学、电化学、热还原等技术转化成rGO,从而能部分修复其共轭结构,提高其导电性与传感性能.另一方面,石墨烯是一种零带隙材料;原子掺杂可以调控其能带结构,提高其电催化性能.石墨烯材料也常常需要通过与其它功能材料的复合进一步改善其可分散与可加工性能,提高其电催化活性和电化学选择性.本文综述了本征石墨烯(包括GO,rGO和掺杂石墨烯)以及石墨烯与生物分子、高分子、离子液体、金属或金属氧化物纳米粒子等复合材料修饰电极在检测各种生物分子方面的研究进展,并对该研究领域进行了展望.     

聚合物太阳能电池阴极修饰层研究进展

聚合物太阳能电池以其质量轻、成本低、制备工艺简单等优点成为清洁能源利用的研究热点.近年来聚合物太阳能电池光电转换效率逐步提高,单结聚合物太阳能电池的光电转换效率已超过11%,其中器件的界面修饰层成为影响器件光伏性能的重要因素.本文总结了聚合物太阳能电池阴极修饰层的研究进展,分别从无机材料和有机材料两方面介绍了常用的阴极修饰层材料.无机材料包括金属氧化物、金属和金属化合物等,有机材料包括聚合物、富勒烯衍生物以及n-型有机半导体材料等.本文还从阴极修饰层的电学特性、光学特性、能级位置、表面形貌、界面接触等方面讨论了其对聚合物太阳能电池光伏性能的影响,展望了聚合物太阳能电池的发展前景.     

石墨烯表界面化学修饰及其功能调控

石墨烯属于碳纳米材料家族中的一员,是一种单层的二维原子晶体,具有高硬度、高导热性、高载流子迁移率等诸多优良特性,被认为是新一代电子学器件的重要基础材料.近年来我们课题组利用石墨烯的这些优良特性在其表界面化学修饰及其功能调控方面开展了一系列研究工作.我们对石墨烯表界面进行了共价或非共价化学修饰,在一定程度上打开了石墨烯的带隙,并发展了具有传感功能的石墨烯器件.我们还制备了基于石墨烯的纳米电极,发展了新一代分子电子器件的普适性制备方法,实现了单分子器件的功能化.展望未来,以石墨烯为代表的碳基纳米材料将继续在纳电子器件研究领域发挥重要作用.     

Li吸附对双层α-硼烯功函调控作用的理论研究

硼烯基纳米复合体是一种极具潜力的电极材料，因此硼烯的功函调控对于最大化器件的能量转换效率及性能至关重要.本工作基于第一性原理密度泛函理论，研究了Li吸附对双层α-硼烯（DBBP）的结构、电子性质和功函的影响及影响Li_n/DBBP功函变化的因素（如基底变形、电子转移、真空和费米能级）.结果表明，Li吸附可将DBBP的功函从4.65 eV调低至1.96～4.46 eV，优于文献报道的Li吸附单层BBP （从4.16 eV调至2.31～3.67 eV）、双层石墨烯中插入Li （3.4～3.9 eV）和K （3.3～3.8 eV）的功函调控效果.其中，Li_2（D）/DBBP （3.73 eV）和Li_3（D）/DBBP的功函（2.91 eV）分别与常用的电极材料Mg （3.68 eV）和Ca （2.90 eV）相近，Li_4（D）/DBBP的功函（1.96 eV）甚至低于Ca.本研究表明Li吸附是降低DBBP功函的一种简单而有效的方法，具有金属性和低功函的Li吸附DBBP纳米材料在电子器件中的阴极材料方面具有应用价值.     

石墨烯-聚苯胺杂化超级电容器电极材料

聚苯胺是一类具有超高比电容的导电高分子材料, 利用其与石墨烯的协同效应, 改善各自的固有缺点, 可以制得高性能的超级电容器. 本文综述了石墨烯-聚苯胺杂化电极材料的制备方法和石墨烯表面性质对电极材料电化学性能的影响, 讨论了优化杂化电极的结构与性能.     

有机及有机无机杂化太阳电池中的界面研究

第3代可溶液加工的太阳电池(包括有机太阳电池、钙钛矿太阳电池等),因为制备成本低、可制备柔性器件等特点备受关注.它们的迅速发展与活性层材料、界面材料与修饰以及器件工程等方面的快速发展息息相关,其中器件中的各个界面对激子的分离、载流子传递和收集有着巨大的影响,影响着器件的性能.本文重点介绍了近年来我们课题组在有机太阳电池、聚合物/量子点杂化太阳电池以及钙钛矿太阳电池研究中,如何设计界面材料以及通过自组装层对电极进行界面修饰,实现活性层和电极之间的欧姆接触和载流子的有效收集;如何在界面层中引入具有等离激元效应的纳米粒子实现光场的有效利用和性能的提升;以及如何对聚合物和纳米粒子间的界面修饰实现载流子的高效分离,制备高性能的杂化太阳电池器件.     

聚合物光伏材料与器件研究进展

高效率的聚合物太阳电池依赖于光吸收活性层材料对太阳光能量的充分利用．电极界面材料将光吸收活性层产生的空穴和电子分别快速高效地抽取到阳极和阴极,并通过进一步改进光伏器件的结构提升能量转换效率和稳定性．本课题组在光吸收活性层中新型聚合物给体材料、新型电极界面材料、利用水／醇性电极界面材料制作新型倒装器件结构的太阳电池方面取得重要进展,推动了太阳电池在能量转换效率和稳定性方面的突破．     

基于萘并二酰亚胺的胺基功能化聚合物的三组分一锅法合成及其在聚合物太阳电池中的应用

通过微波辅助炔、醛、胺三组分一锅法聚合反应合成了一系列基于萘并二酰亚胺的聚合物P1~P4,并通过核磁表征确认其结构.目标聚合物的光物理与电化学性能研究表明,由于聚合物主链共轭被打断,聚合物的吸收和能级主要由其重复单元决定.通过开尔文探针与电子顺磁共振谱研究了聚合物侧链与主链胺基不同的化学环境对其电极功函调节以及自掺杂行为的影响.发现由于主链胺基与苄基、炔丙基相连,胺基氮的电子云密度显著降低,导致聚合物形成界面偶极能力减弱,从而使其电极功函调节能力与自掺杂强度都大大降低.所有聚合物中P1具有良好的醇溶性,可被用于聚合物太阳电池的阴极界面层.以PTB7-Th：PC₇₁BM为活性层,P1为阴极界面层的聚合物太阳电池器件的光电转换效率达到9.34%.     

富勒烯类界面修饰材料在聚合物太阳能电池中的应用

聚合物太阳能电池具有质量轻、成本低、可大面积柔性制备等优点,近年来成为国内外研究的热点.界面修饰是实现器件效率最大化的有效途径.与无机、高分子类界面修饰材料相比,富勒烯类界面修饰材料因富勒烯本身良好的电子亲和性及与受体分子结构相似而表现出优异的兼容性,在提高聚合物太阳能电池性能方面表现尤为突出.本文介绍了聚合物太阳能电池的结构与光伏参数,综述了富勒烯衍生物作为界面修饰材料,在聚合物太阳能电池中的研究进展,并对富勒烯类界面修饰材料的进一步发展进行了探讨.     

PAn/PEO-LiClO4界面的交流阻抗研究

近年来,交流阻抗方法已成功地应用于固体电极-电解质界面电化学性能的研究.特别是最近几年,聚氧化乙烯-锂盐复合物(PEO-LiX)系列高分子电解质材料研究的深入,研制以高分子电解质为隔膜的全固态锂电池的设想已成可能.前人用交流阻抗方法对Li/PEO-LiX和钒氧阴极/PEO-LiX界面行为研究已作了大量工作,并获得相关锂电池电极界面电化学性能的理论数据.本文用化学氧化法合成聚苯胺(PAn)阴极材料和本室改进的PEO-LiClO_4复合物作室温固体电解质,研究PAn/PEO-LiClO_4电极界面的电化学性能,获得一些新的结果。     

交流阻抗法研究四羧基酞菁锌掺杂的二氧化钛半导体电极

用电沉积和丝网印刷法制备了纳米二氧化钛膜电极及四羧基酞菁锌(ZnPcTc)掺杂的多孔纳米二氧化钛半导体电极. 采用交流阻抗法(EIS)对二氧化钛膜的电子传输性能以及界面性质进行了表征, 确定了各阻抗弧对应的电极过程. 采用合理的模型计算了电极的电子传输动力学参数. 结果表明, 掺杂ZnPcTc后, 膜电阻明显降低, 且电极-电解液界面电容有所增大, 有利于TiO2电极在染料敏化太阳能电池器件中的应用.     

导电高分子在神经界面电极中的应用

神经界面电极作为人体和外部器件间信息融合的媒介, 为人们进一步探究神经系统高级功能的机制提供了有效工具. 传统的神经电极多以金属和半导体材料为主, 这两类材料因具有惰性材料的特性及优越的 导电性能而成为早期神经电极的主要制备材料, 但由于其刚性过大和光滑表面导致的机械失配及与生物组织间过高的电化学阻抗限制了神经电极的进一步发展. 导电高分子作为一种有机导电材料, 同时具备柔软性 (杨氏模量约在0.01~10 GPa)和导电性(高掺杂度的导电高分子的电导率在金属范围, 10⁰~10⁵ S/cm)的特征, 是制备神经电极的有效材料. 近年来, 人们利用导电高分子材料对传统电极材料进行改性甚至替代, 以提高电极比表面积、 减小界面阻抗, 并提高电极检测的灵敏性; 同时减小电极与组织间的应变失配, 减少炎症反应, 并进一步在导电高分子中引入功能性生物大分子, 减少生物组织对电极的排异反应, 增加电极在体内长期植入的稳定性. 本文讨论和总结了导电高分子材料在神经电极中的应用, 分别对导电高分子作为涂层修饰神经电极、 全导电高分子材料神经电极及导电高分子复合材料神经电极等展开讨论, 分析了导电高分子在神经界面电极中的应用前景及存在的问题, 以期对神经界面电极在脑科学和生物电子医疗等前沿领域的进一步发展提供参考.