退火处理提高P3HT:PCBM聚合物太阳能电池光伏性能

利用旋转涂膜方法制备了以P3HT:PCBM为有源层的聚合物太阳能电池, 器件结构为ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al(氧化铟锡导电玻璃/聚二氧乙基噻吩:聚对苯乙烯磺酸/聚三已基噻酚:富勒烯衍生物/铝),研究了退火温度对聚合物太阳能电池性能的影响. 实验发现: 聚合物薄膜经过120 °C退火10 min处理后, 开路电压(V_oc)达到0.64 V, 短路电流密度(J_sc)为10.25 mA·cm^-2, 填充因子(FF) 38.1%, 光电转换效率(PCE)达到2.00%. 为了讨论其内在机制, 对不同退火条件下聚合物薄膜进行了各种表征. 从紫外-可见吸收光谱中发现, 退火处理使P3HT在可见光范围内吸收加强且吸收峰展宽, 特别是在560和610 nm处的吸收强度明显增大; X射线衍射(XRD)结果表明, 120 °C退火后P3HT在(100)晶面上的衍射强度是未退火薄膜的2.8倍, 有利于光生载流子的输运; 原子力显微镜(AFM)研究结果表明, 退火显著增大了P3HT与PCBM的相分离程度, 提高了激子解离的几率; 傅里叶变换红外(FTIR)光谱验证了退火并没有引起聚合物材料物性的变化.     

加入NPB提高P3HT:PCBM聚合物太阳能电池光伏性能

研究了在聚3-己基噻吩(P3HT)和[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)共混薄膜中加入第三组分N,N’-二苯基-N,N’-(1-萘基)-1,1’-联苯-4,4’-二胺(NPB)对器件性能的影响。实验发现:加入NPB可以促进P3HT:PCBM本体异质结的生长,进而提高器件的光伏性能,当NPB浓度为0.4mg/mL时,能量转换效率(PCE)从1.05%提高到1.64%。NPB的加入使P3HT在可见光范围内吸收增强,特别是在560nm和610nm处的吸收强度明显增大;扫描电子显微镜(SEM)研究结果表明,NPB的加入增大了P3HT与PCBM的相分离程度,提高了激子分离的几率;空穴单极性电流-电压曲线证明适量NPB的加入改善了薄膜空穴传输性能。     

碘化铅作为空穴传输层在P3HT:PC61BM聚合物太阳能电池中的增强效果

开发了一类新型阳极界面缓冲材料PbI₂,制备了结构为ITO/PbI₂/P3HT:PC₆₁BM/Al(氧化铟锡导电玻璃/碘化铅/聚三已基噻吩:富勒烯衍生物/铝)的器件,制备工艺包括旋涂和蒸镀,考察了PbI₂在聚合物太阳能电池原型器件ITO/P3HT:PC₆₁BM/Al中的效果。不同碘化铅浓度,退火温度,退火时间,对PbI₂薄膜的质量都会有影响。很显然,高质量的PbI₂薄膜将会带来好的光电转化效率。PbI₂薄膜的透光性,结晶性,以及表面形貌可以用来描述所成薄膜的质量好坏。对能带来最好性能的碘化铅薄膜进行了紫外-可见光谱,X射线粉末衍射(XRD),原子力显微镜(AFM),扫描电子显微镜(SEM)等表征。实验发现,太阳能电池器件的效率对PbI₂浓度比较敏感,最优化的条件为,旋涂浓度为3 mg·mL^-1,100 ℃退火30 min,其电池的开路电压(V_oc)达到0.45 V,短路电流密度(J_sc)为7.9 mA·cm^-2,填充因子(FF)为0.46,与没有界面缓冲材料的器件相比,光电转换效率(PCE)由0.85%提高到1.64%。     

给受体共混质量比对P3HT:PCBM薄膜结构和器件性能的影响

以聚3-己基噻吩(P3HT)为给体、[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)为受体的光伏体系作为研究对象,采用溶剂退火的后处理方法制备薄膜样品,利用紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱、原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)等测试手段分别对共混膜样品的形貌和结构进行表征,同时利用熵值统计方法对AFM形貌图像进行分析处理.并在此基础上制备太阳能电池器件,其结构为氧化铟锡导电玻璃/聚3,4-乙撑二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐/聚3-己基噻吩:[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯/金属铝(ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al),研究了给受体共混比例(质量比)对活性层薄膜以及电池性能的影响.结果表明,受体PCBM含量的增加会影响P3HT给体相的有序结晶,当给受体比例为1:1时,活性层薄膜具有较宽的紫外-可见吸收特征,且具有较好的相分离和结晶度,基于该样品制备的电池器件其光电转换效率达到三种比例的最大值(2.77%).表明退火条件下,改变给受体比例可以影响活性层的微纳米结构而最终影响电池的光电转换效率.     

给受体共混质量比对P3HT∶PCBM薄膜结构和器件性能的影响

以聚3-己基噻吩(P3HT)为给体、[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)为受体的光伏体系作为研究对象,采用溶剂退火的后处理方法制备薄膜样品,利用紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱、原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)等测试手段分别对共混膜样品的形貌和结构进行表征,同时利用熵值统计方法对AFM形貌图像进行分析处理.并在此基础上制备太阳能电池器件,其结构为氧化铟锡导电玻璃/聚3,4-乙撑二氧噻吩∶聚苯乙烯磺酸盐/聚3-己基噻吩:[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯/金属铝(ITO/PEDOT∶PSS/P3HT∶PCBM/Al),研究了给受体共混比例(质量比)对活性层薄膜以及电池性能的影响.结果表明,受体PCBM含量的增加会影响P3HT给体相的有序结晶,当给受体比例为1∶1时,活性层薄膜具有较宽的紫外-可见吸收特征,且具有较好的相分离和结晶度,基于该样品制备的电池器件其光电转换效率达到三种比例的最大值(2.77％).表明退火条件下,改变给受体比例可以影响活性层的微纳米结构而最终影响电池的光电转换效率.     

基底温度对刮涂制备的P3HT:PCBM薄膜形貌和光伏电池性能的影响

研究了刮涂制备P3HT:PCBM(P3HT:聚3-己基噻吩,PCBM:[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯)活性层的过程中,基底温度对P3HT:PCBM活性层薄膜性质和电池性能的影响.结果表明,提高基底温度在缩短薄膜干燥时间的同时,抑制了PCBM相的大尺度聚集,并改善了P3HT:PCBM薄膜中P3HT在(100)方向上的结晶程度,但降低了π-π共轭方向上的有序度.制备的光伏电池经过进一步退火处理后可形成良好的互穿网络结构,能量转换效率可达3.93％.     

热处理对P3HT与PCBM共混体系光电性能的影响

The effect of annealing treatment on the photoelectric properties of poly(3-hexylthiophene) (P3HT):[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) was analyzed by UV-Vis absorption spectroscopy, photoluminescence (PL) spectroscopy, X-ray diffraction, and solar cell performance. The UV-Vis absorption peaks of P3HT:PCBM thin filmshowed enhancement and a red-shift after thermal annealing. PL and XRD peak intensities increased by annealing treatment. A solar cell based on the blend of P3HT:PCBM was fabricated, and the device performance was significantly improved by thermal annealing. For devices heat-treated at 130 益, open circuit voltage of 0.55 V, short circuit current density of 9.87 mA·cm-2, fill factor of 60.1% and power conversion efficiency (PCE) of 3.26% were achieved under 100 mW·cm-2 air-mass 1.5 solar simulator illumination.     

高效聚合物光伏材料研究进展

聚合物光伏电池因具有重量轻、成本低以及可制成柔性大面积器件等优点而具有广阔的应用前景.近年来,采用共轭聚合物作为光伏电池活性层材料的研究进展十分迅速.本文介绍了聚合物光伏电池的工作原理和器件结构,综述了聚合物材料作为给体,在体相异质结型光伏器件中的最新研究进展,并对今后进一步提高这类电池的能量转换效率问题进行了探讨.     

喷墨打印技术制备聚合物太阳能电池的研究进展

聚合物太阳能电池具有成本低、质量轻、容易制备大尺寸器件等优势,是太阳能电池研究中最为活跃的领域之一。喷墨打印技术作为新的成膜技术,具有材料利用率高、快速、可柔性加工等优点,已被用于聚合物太阳能电池的制备,发展潜力巨大。综述了聚合物太阳能电池、喷墨打印技术和喷墨打印技术制备聚合物太阳能电池的研究进展,同时对聚合物太阳能电...     

轮烷结构优化聚合物太阳能电池光伏性能

聚合度高低会影响聚合物太阳能电池(PSC)活性层的共混微观结构,导致其器件性能存在较大差异,一般在聚合度较低时,PSC的能量转化效率(PCE)通常因电荷传输受到影响而明显降低.为解决这一问题,本工作将环状化合物冠醚与聚合物以非共价键的方式组成轮烷结构,合成了四种具有不同冠醚含量且聚合度较低的给体材料PM6-C1、PM6-C2、PM6-C3和PM6-C4.在保留聚合物本身优异光电性质的同时,适量轮烷结构带来的非共价相互作用使活性层形成合适的纤维状网络结构和良好的相分离尺度,增强了器件的电荷提取效率,减少了陷阱/双分子复合,从而导致高的电荷传输与收集效率.基于PM6-C2的器件最终实现了16.23%的PCE,高于基于PM6-L的器件(15.33%),表明轮烷结构有助于改善聚合物太阳能电池活性层形貌,在PSC材料研究中具有极大的潜力.     

非富勒烯聚合物太阳电池研究进展

综述了以p-型共轭聚合物为给体、n-型有机半导体为受体的非富勒烯聚合物太阳电池光伏材料最新研究进展,包括n-型共轭聚合物和可溶液加工小分子n-型有机半导体(n-OS)受体光伏材料,以及与之匹配的p-型共轭聚合物给体光伏材料.介绍的n-型共轭聚合物受体光伏材料包括基于苝酰亚胺(BDI)、萘酰亚胺(NDI)以及新型硼氮键连受体单元的D-A共聚物受体光伏材料,目前基于聚合物给体(J51)和聚合物受体(N2200)的全聚合物太阳电池的能量转换效率最高达到8.26%.n-OS小分子受体光伏材料包括基于BDI和NDI单元的有机分子、基于稠环中心给体单元的A-D-A型窄带隙有机小分子受体材料等.给体光伏材料包括基于齐聚噻吩和苯并二噻吩(BDT)给体单元的D-A共聚物,重点介绍与窄带隙A-D-A结构小分子受体吸收互补的、基于噻吩取代BDT单元的中间带隙二维共轭聚合物给体光伏材料.使用中间带隙的p-型共轭聚合物为给体、窄带隙A-D-A结构有机小分子为受体的非富勒烯聚合物太阳电池能量转换效率已经突破12%,展示了光明的前景.最后对非富勒烯聚合物太阳电池将来的发展进行了展望.     

聚合物电解质在染料敏化太阳能电池中的应用进展

染料敏化太阳能电池(DSSC)由于成本低、污染小、制备工艺简单而受到广泛关注。电解质在其中起到桥梁的作用,能促使染料再生、输运空穴,从而完成整个光电循环过程,是DSSC重要的组成部分。本文简要介绍了DSSC的基本结构和工作原理,指出了传统液态电解质存在的问题,综述了近年来以聚合物为基体制备的新型固态聚合物电解质、凝胶聚合物电解质以及多孔聚合物电解质在DSSC中的应用,最后对聚合物电解质在染料敏化太阳能电池中的发展做出了展望。     

Photovoltaic Performance and Charge Recombination Dynamics of P3HT/PCBM Blend Heterojunction

We prepared the polymer solar cell based on poly（3-hexylthiophene）（P3HT）/fullerene derivative PCBM（PCBM=[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester） heterojunction and investigated the irradiation intensi- ty-dependent charge recombination dynamics of heterojunction employing nanosecond transient absorption spectroscopy with bias light so as to simulate the photophysical process in heterojunction when the photovoltaic device is on operation. The experimental data exhibit that the yield of free charges gradually decreases and the loss of mobile carriers originated from bimolecular recombination simultaneously increases as the irradiation intensity gradually enhances. This indicates that the polymer solar cell is much suitably used at a low irradiation intensity.     

基于无规三元共聚物的非卤溶液加工型高效聚合物太阳能电池

在本工作中,我们以烷硫基噻吩基取代的苯并二噻吩(BDTT-S)为给体单元、5, 6-二氟取代苯并三唑(FBTz)和噻唑并噻唑(TTz)为弱吸收电子受体单元,设计合成了一系列宽带隙的无规三元共聚物给体材料。通过改变两个受体单元FBTz和TTz在聚合物中的摩尔比,有效调节了聚合物的光学、电化学、分子排列以及电荷传输性能。最终,使用非卤溶剂为加工溶剂,以三元共聚物PSBTZ-60为给体、ITIC为非富勒烯受体的聚合物太阳能电池(PSCs)获得了10.3%的能量转换效率(PCE),其中开路电压为0.91 V,短路电流为18.0 mA·cm⁻²,填充因子为62.7%;与之相比,在相同的器件制备条件下,基于PSTZ:ITIC的PSCs仅获得8.5%的PCE,基于PSBZ:ITIC的PSCs也仅获得8.1%的PCE。这些结果表明：三元无规共聚能够作为一种简单且实用的策略去设计、合成高性能聚合物光伏材料。     

基于一种新型聚噻吩衍生物为给体的非富勒烯聚合物太阳能电池

With the development of non-fullerene small-molecule acceptors, non-fullerene polymer solar cells (PSCs) have garnered increased attention due to their high performance. While photons are absorbed and converted to free charge carriers in the active layer, the donor and acceptor materials both play a critical role in determining the performance of PSCs. Among the various conjugated-polymer donor materials, polythiophene (PT) derivatives such as poly(3-hexylthiophene), have attracted considerable interest due to their high hole mobility and simple synthesis. However, there are limited studies on the applications of PT derivatives in non-fullerene PSCs. Fabrication of highly efficient non-fullerene PSCs utilizing PT derivatives as the donor is a challenging topic. In this study, a new PT derivative, poly[5, 5′-4, 4′-bis(2-butyloctylsulphanyl)-2, 2′-bithiophene-alt-5, 5′-4, 4′-difluoro-2, 2′-bithiophene] (PBSBT-2F), with alkylthio groups and fluorination was synthesized for use as the donor in non-fullerene PSC applications. The absorption spectra, electrochemical properties, molecular packing, and photovoltaic properties of PBSBT-2F were investigated and compared with those of poly(3-hexylthiophene) (P3HT). The polymer exhibited a wide bandgap of 1.82 eV, a deep highest occupied molecular orbital (HOMO) of -5.02 eV, and an ordered molecular packing structure. Following this observation, PSCs based on a blend of PBSBT-2F as the donor and 3, 9-bis(2-methylene-(3-(1, 1-dicyanomethylene)-indanone)-5, 5, 11, 11-tetrakis(4-hexylphenyl)-dithieno-[2, 3-d:2′, 3′-d′]-s-indaceno[1, 2-b:5, 6-b′]dithiophene (ITIC) as the acceptor were fabricated. The absorption spectra were collected and the energy levels were found to be well matched. These devices exhibited a power conversion efficiency (PCE) of 6.7% with an open-circuit voltage (V_OC) of 0.75 V, a short-circuit current density (J_SC) of 13.5 mA·cm^-2, and a fill factor (FF) of 66.6%. These properties were superior to those of P3HT (1.2%) under the optimal conditions. This result indicates that PBSBT-2F is a promising donor material for non-fullerene PSCs.     

Improvement of Power Conversion Efficiency of P3HT/PCBM Polymer Solar Cell Systems by Optimization of the Process Steps

In this work, different steps involved in the fabrication of polymer solar cells were optimized using P3HT/PCBM heterojunction. Steps included spinning speed for coating of the PEDOT:PSS layer, use of filter for the PEDOT:PSS layer, spinning speed for coating of the active layer, sequence of annealing of the active layer either before or after electrode deposition, and modification of the cooling mechanism (either by cooling rapidly or slowly after heating of the active layer). Investigation of these steps led to an improvement of the power-conversion efficiency (PCE) of the polymer solar cells, especially the last step involving the change of cooling mechanism, which improved PCE by 25%.