新型高效聚合物/富勒烯有机光伏电池研究进展

有机聚合物/富勒烯本体异质结光伏电池以其不断提高的能量转换效率受到了研究人员的广泛关注, 近年来成为光伏电池研究领域的热点之一. 本文主要通过对聚合物/富勒烯太阳能电池的内部机理,包括光吸收、激子扩散和解离以及自由载流子输运和提取等关键科学问题, 从器件材料和结构优化、形貌控制和界面修饰等不同侧面介绍了提高聚合物/富勒烯太阳能电池性能的方法, 讨论了各种器件的结构和能量转换效率, 对于进一步开展这方面的研究工作指明了方向, 最后对其未来的发展前景做出了展望.     

材料设计以及界面与器件工程最适化以实现高性能聚合物和钙钛矿太阳能电池

有机聚合物和钙钛矿杂化物在合成控制、加工及属性调控的进展显著地增强了其太阳能电池性能。聚合物和杂化太阳能电池的性能十分依赖材料吸收光子、激子离解、电荷传输以及在金属/有机/金属氧化物或金属/钙钛矿/金属氧化物界面的电荷收集的效率。介绍了如何通过有效地整合材料设计以及界面与器件工程以显著提高聚合物和杂化钙钛矿型太阳能电池性能(转换效率>18%)。还介绍了一些关于制备串联和半透明太阳能电池的新型器件结构和光学工程策略,以发挥聚合物和钙钛矿太阳能电池的最大潜能。     

基于三元非富勒烯体系的高效有机太阳能电池

有机材料的"窄吸收"特性制约了有机太阳能电池(OPVs)性能的进一步突破,二元体异质结薄膜难以实现对太阳能的有效宽光谱利用.三元OPVs在二元体系中引入吸收互补的第三组分,能够增强器件光吸收,实现光电转化效率的大幅提升.近年来,非富勒烯受体材料的飞速进展,多次刷新有机太阳能电池最高效率记录,丰富并扩展了三元受体材料的选择范围.本文以非富勒烯受体材料Y6作为第三组分材料,高效率非富勒烯太阳能电池PBDB-T-2F:IT-4F作为基础二元器件,研究并分析了以双非富勒烯材料为受体的三元有机太阳能电池工作机理.通过光电特性分析,发现Y6的引入不仅能够增强器件近红外区域的光吸收能力,而且能够有效抑制双分子复合,提高电荷取出率,从而提高器件能量转换效率.通过调节Y6在三元体系中的质量百分比,在Y6占比为20 wt%时,器件实现最高的能量转换效率12.48%,相比于基础二元器件(10.59%)实现了17.85%的性能提升.     

非富勒烯聚合物薄膜的超快可见激发-红外探测光谱研究

非富勒烯聚合物太阳能电池材料是最具前景的有机太阳能电池材料之一。供受体材料的化学结构直接决定两者之间能带匹配程度,从而影响光电转换效率。本文以非富勒烯给受体材料为研究对象,利用超快可见激发-中红外探测光谱方法,以ITIC分子中的CN和CO伸缩振动为探针,研究了非富勒烯聚合物薄膜在光激发后电荷分离及演化过程。结果表明,这一体系的电荷分离过程可发生在皮秒时间尺度上。     

微纳光栅结构增强聚合物太阳能电池光吸收的研究

基于共轭聚合物给体材料P3HT和富勒烯衍生物受体材料PCBM共混的体异质结结构的聚合物太阳能电池,因其空穴载流子迁移率低而限制了P3HT:PCBM功能层厚度,从而影响了器件对入射光的吸收.在聚合物功能层表面引入微纳光栅结构可以使器件内电场重新分布并改善器件的光吸收.本文基于时域有限差分方法仿真得到了光栅周期为1μm,占空比为0.5以及入射波长分别为500和700 nm时二维器件内光电场分布;并基于严格耦合波分析方法计算得到了不同光栅深度和光栅占空比的器件光吸收.理论分析表明:插入微纳光栅结构后,由于光栅衍射增强作用使器件内出现了光聚焦现象;当占空比为0.5时,光栅深度为10 nm的器件在入射波长为512 nm时,器件光学吸收增加了4.2%.基于聚二甲基硅氧烷的微压印技术,制备了微纳光栅结构聚合物太阳能,器件结构为ITO/PEDOT:PSS光栅层/P3HT:PCBM/LiF/Al.该器件与平板器件的性能对比实验证实,通过在PEDOT:PSS上引入微纳光栅结构,器件能量转化效率增加了31%.     

TiO2光学间隔层增强聚合物太阳能电池光吸收的分析

基于共轭聚合物给体材料聚3-己基噻吩（P3HT）和富勒烯衍生物受体材料（6,6）-苯基-C61（PCBM）共混的体异质结结构的聚合物太阳能电池因其空穴载流子迁移率低而限制了P3HT:PCBM功能层厚度,从而影响了器件对入射光的吸收、在聚合物功能层和反射电极间插入TiO₂光学间隔层可以使器件内电场重新分布并改善器件的光吸收.基于薄膜传递矩阵法计算了不同的P3HT:PCBM功能层厚度和TiO₂插入层厚度的器件内光电场和光吸收.理论分析证明:器件结构为铟锡氧化物（ITO）（100 nm）/聚3,4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐PEDOT:PSS（40 nm）/P3HT:PCBM/TiO₂/LiF（1 nm）/Al（120 nm）时,插入10 nm厚的TiO₂膜层可以使器件的聚合物功能层厚度在减薄25 nm的同时增加16.3%的光子吸收数,并且不明显降低功能层的激子分离概率,即功能层和TiO₂光学间隔层厚度分别约为75和10 nm时的器件性能为宜,此结果通过器件性能实验得以证实.     

采用高传导率银铜镍网格电极的柔性聚合物太阳能电池

采用一种新的阳极材料:银、铜、镍的复合金属网格阳极,利用旋涂法制成了活性层为P3HT (poly(3-hexylthiophene)):PCBM([6,6]-phenylC61-butyricacidmethylester)的柔性衬底聚合物太阳能电池.制备了5种不同结构的柔性聚合物太阳能电池器件,将采用新型阳极材料的柔性衬底聚合物太阳能电池与传统ITO(Indium tin oxide)阳极的柔性衬底聚合物太阳能电池进行对比,发现新型阳极材料所制成的器件性能得到大幅度的提高,其电池器件在50 mW/cm~2强度光照下,开路电压(V_(oc))为0.54 V,短路电流密度(J_(sc))为5.39 mA/cm~2,能量转换效率为2.060%.     

载流子复合及能量无序对聚合物太阳电池开路电压的影响

聚合物太阳电池中载流子的复合与能量无序对器件的开路电压有着深刻的影响.本文同时研究了基于传统富勒烯(PC71BM)和非富勒烯(O-IDTBR)电子受体的聚合物太阳电池.通过交流阻抗谱、低温电流密度-电压谱、瞬态光电压以及电致发光光谱等手段重点研究了载流子复合及能量无序对电池器件开路电压的影响.具体地,交流阻抗谱和瞬态光电压测试结果表明,富勒烯体系载流子复合损失较为严重.电致发光光谱研究显示,PC71BM器件的发光峰随着注入电流的增加不断向短波长处移动,而O-IDTBR体系发光峰位置基本不变,该结果证明PC71BM体系中能量无序度更高.载流子复合严重及能量无序度更高共同作用导致了富勒烯器件开路电压的降低.     

多温度阶梯退火对有机聚合物太阳能电池器件性能的影响

以聚3-己氧基噻吩(P3HT)作为给体,富勒烯衍生物(ICBA)作为受体,制备了体异质结结构的聚合物太阳能电池,研究不同热退火条件对器件的光伏输出特性及稳定性的影响.研究发现,采用多温度、阶梯退火比单一温度退火能使器件的光伏输出性能明显提高,与此同时器件的寿命显著延长,可以在未封装的环境下保持器件性能的稳定,减缓器件的衰退.     

纳米银增强聚合物太阳能电池光吸收的研究

基于共轭聚合物给体材料P3HT和富勒烯衍生物受体材料PCBM共混的体异质结结构 的聚合物太阳能电池因其空穴载流子迁移率低而限制了P3HT:PCBM功能层厚度, 从而影响了器件对入射光的吸收. 在聚合物功能层内引入金属纳米颗粒可以利用金属表面等离子体效应增强器件内电场并改善器件的光吸收. 本文基于时域有限差分法(finite difference time domain, FDTD)方法模拟得到了聚合物功能层内包含了直径为50 nm纳米银球并且球间距为50 nm的聚合物太阳能 电池器件在波长分别为400 nm和500 nm照射时的二维光电场分布以及入射角分别为15°, 45°, 60°时包覆纳米银聚合物功能层横截面内的光电场强度分布; 计算得到了银纳米颗粒尺寸分别为10 nm, 20 nm和50 nm时以及分布在空穴传输层PEDOT:PSS的纳米银器件的光吸收; 并计算了斜入射时包覆纳米银的聚合物功能层光吸收. 理论分析表明: 聚合物功能层加入纳米银球后, 因为纳米银球的表面等离子体效应使入射光在功能层内散射增强而使器件内的光电场重新分布; 直径较大的纳米银颗粒能产生大角度的光散射, 更有利于聚合物功能层对光的吸收. 这里, 基于有机银盐还原法制备了纳米银颗粒并制备了银等离子体增强的聚合物太阳能电池, 其结构为: glass/ITO (～100 nm)/PEDOT:PSS (40 nm)/P3HT:PCBM (～100 nm)(nano-Ag)/LiF (1 nm)/Al (120 nm). 该器件与平板器件的性能对比实验证实: 通过在聚合物功能层内上引入纳米银颗粒可以有 效增加器件光吸收并改善器件电学性能, 器件外量子效率在520 nm处最大增加了17.9%. 关键词： 纳米银 表面等离子体共振 时域有限差分 聚合物太阳能电池     

基于光学与光—电转换模型对聚合物电池功能层厚度与性能相关性分析

本文基于Forouhi-Bloomer 模型得到了这种功能层的光学常数.根据菲涅耳系数矩阵法计算了这种器件内的光电场分布,并计算了不同厚度的聚合物功能层的光子吸收数.同时,通过Onsager-Braun理论,分析了在无外加电场下聚合物功能层厚度对激子分离概率的影响.理论分析和实验结果证明:在特定的薄膜制备工艺下,器件结构为ITO/PEDOT/ P3HT:PC₆₀BM /LiF/Al时,聚合物功能层厚度在100 nm左右时,可以使器件的光子吸收数最大化,同时避免了激子分离概率的降低. 关键词： 光学常数 激子 聚合物太阳能电池     

新型联苯胺基窄带隙共轭聚合物的光学及电化学性能研究

随着化石燃料的日益枯竭,人类社会对能源的需求在不断增长。为了平衡能量应用需求并提升能量使用效率,开发高效能量转换材料与电化学储能材料成为当前研究的重要课题。导电聚合物基电极材料面临着相应储能器件能量密度、功率密度、循环性能不高的挑战,需进行结构改性提高电导率、改善界面性质。鉴于共轭高分子的电子结构、光学及电化学性质由共轭链骨架结构决定,对导电共轭聚合物进行结构修饰以提升其电荷传输性能和载流子迁移率,进而设计合成新型高迁移率导电聚合物基共轭聚合物是提高相应器件特性的关键所在。已有研究大多借助复杂的结构设计来实现提升迁移率,设计合成了结构简单,有助提升电荷迁移的新型窄带隙聚联苯胺基共轭聚合物聚物。通过光谱学及电化学方法对材料结构与性能进行了表征分析。采用核磁共振氢谱、红外光谱,X射线粉末衍射对单体及聚合物进行了结构表征,通过紫外光谱、紫外可见漫反射、循环伏安、计时电位、交流阻抗对其进行了光学及电化学性能测试。结果表明,成功制得具有预期结构的共轭聚合物,所得聚合物结晶性较佳,光学带隙E_g^opt为1.85eV,HOMO及LUMO能级分别为-5.44和...     

NPB阳极缓冲层对反型结构聚合物太阳能电池性能的影响

制备了给体材料为poly(3-hexylthiophene)(P3HT),受体材料为[6,6]-phenyl-C60-butyric acid methyl ester(PCBM),器件结构为ITO/ZnO/P3HT:PCBM/NPB(0,1,5,10,25 nm)/Ag的反型体异质结聚合物太阳能电池.不同厚度的N,N′-diphenyl-N,N′-bis(1-naphthyl)-1,1′-biphenyl-4,4′-diamine(NPB)阳极缓冲层被用来改善器件性能,研究了NPB阳极缓冲层对器件特性的影响.研究发现,1 nm厚的NPB改善了器件的载流子收集效率,增加了器件的短路电流与开路电压.当NPB缓冲层的厚度达到25 nm时,过厚的NPB导致串联电阻增加,使得器件特性大幅下降.通过电容-电压测试,进一步研究了不同厚度NPB对器件载流子注入与收集的影响,1 nm厚的NPB修饰并没有改善器件的载流子注入但是增加了器件对光生载流子的收集效率,过厚的NPB使得自由载流子的复合占据主导.适合厚度的NPB可以作为一种阳极缓冲层材料应用于聚合物太阳能电池提高器件特性.     

透明导电电极对聚合物太阳能电池光学性能的影响北大核心CSCD

采用传输矩阵法研究了基于MoO3/Ag/MoO3(MAM)透明导电电极和ITO电极的聚合物太阳能电池的光学性能。分别对电池耦合层厚度、活化层厚度和金属电极进行了优化,得到了优良效率的结构。结果表明,MAM与ITO有机太阳能电池在不同活性层厚度和不同光学间隔层厚度条件下有明显的光学性能差异;对于薄活性层MAM电极器件(100nm),最大短路电流密度可达到16.85mA/cm^2,比ITO器件提高了7.3mA/cm^2,而对于厚活性层MAM电极(270nm),ITO电极器件的光学性能明显优于MAM器件;还通过改变光学间隔层LiF的厚度进行计算,得出本仿真条件下两种结构性能差异的临界光学间隔层厚度为30nm。     

基于富勒烯C60结构体系的金纳米粒子合成物光学非线性研究

使用532nm,8ns激光脉冲研究了两种新型的基于富勒烯C₆₀结构体系的金纳米粒子合成物的光学非线性.Z-scan实验结果和理论分析的比较表明,材料的非线性吸收强烈地依赖于材料中的配合体,而非线性折射主要来自金纳米粒子的贡献.而且与熟知的C₆₀甲苯溶液光限幅特性作了比较,分析了光限幅机理. 关键词： 60结构体系')" href="#">基于富勒烯C₆₀结构体系 金纳米粒子 等离子体 光限幅     

有机太阳能电池研究进展

为了减轻当前能源危机所带来的压力,各国在太阳能电池等清洁能源领域投入了大量的人力、物力和财力.由于有机太阳能电池具有独特的优点(有机材料易于修饰,器件制备方法简便且可制备出柔韧器件),并且随着相关研究的深入,有机太阳能电池的能量转换效率逐步得到提高,这昭示了有机太阳能电池商业化的美好前景,目前已经有大批科研工作者投身于有机太阳能电池领域的研发工作.文章从太阳能电池小分子材料、聚合物材料和提高有机太阳能电池能量转换效率的方法这三方面入手,对有机太阳能电池领域进行综述.     

新型共轭聚合物PFO-BT15发光二极管的电老化研究

PFO-BT15是一种电致发光中心波长为550 nm的新型共轭高分子聚合物材料,将其制成发光二极管器件,结构为ITO玻璃/聚合物PEDOT(120 nm)/有机聚合物PFO-BT15(80 nm)/Ba(4 nm)/Al(200 nm),用环氧树脂对阴极侧进行了封装,以减少氧气和水分的进入,从而影响器件的发光性能。在室温环境下对同样的器件进行不同电流密度的电老化处理,记录器件的电流电压曲线,再对老化的样品做电致发光和喇曼光谱测试。实验发现：一方面,通过器件恒定电流的大小影响器件的电压变化速度;另一方面,器件经过一定长时间的电老化,电致发光中心波长变化较小。通过啦曼光谱的测试,推断是因为PEDOT阳极的破损导致了器件的最终发光失败,而器件发光层材料的结构保持相对稳定,说明这种结构的聚合物有着相对稳定的光电性能,对于提高材料发光的稳定性提供了有价值的信息,有助于其他高效发光材料的合成以及稳定性的提高。     

快速热退火处理ZnO电子传输层对聚合物太阳能电池性能的改善

采用快速热退火对ZnO薄膜进行后处理,制作了ITO/ZnO/PTB7∶PC71BM/MoO_3/Ag结构的倒置聚合物太阳能电池,器件能量转换效率达到了8.1%,与传统热退火工艺相比提高了11.26%。通过原子力显微镜、扫描电子显微镜、X光衍射谱、透射光谱和荧光谱对不同退火条件下制备的ZnO薄膜进行表征和分析。结果表明,经快速热退火处理的ZnO薄膜具有良好的c轴取向结晶特性、较大的晶粒尺寸和表面粗糙度,有效地降低了器件的串联电阻Rs,增大了器件的短路电流Jsc和填充因子FF。     

不同受体对PTB7聚合物太阳能电池的性能影响的研究

使用两种或者更多种类的富勒烯衍生物作为受体可以使poly(3-己基噻吩)(P3TH)系的混合异质结太阳能电池效率明显提升。这样的提升源于当受体使用富勒烯多重加合物的最低未占轨道(LUMO)提升而使其开路电压升高。虽然其他聚合物也同样能获得高的开路电压,但是大多数的聚合物却不像P3TH一样获得性能提升,在与像苯基-C61-丁酸甲酯 (bis-PCBM)或者the indene-C60 bis-adduct (ICBA)混合后表现出下降的光电流。在此,我们研究这些性能改变的原因。使用[6,6]-苯基C₇₀-丁酸甲酯(PC₇₀BM), ICBA和bis-PC₇₀BM作为受体并且PTB7作为给体,其结构为：ITO/PEDOT：PSS/活性层/LiF/Al,聚合物太阳能电池的表现的性能分别为7.29%, 4.92% 和3.33%。性能的改变可能主要归因于不同受体影响器件激子产生和电荷收集。     

基于量子点和MEH-PPV的白光发光二极管的研究

利用无机纳米材料与有机聚合物材料相结合的方法制备白光发光二极管器件, 研究了蓝光量子点QDs(B)掺杂聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基-1, 4-苯撑乙烯撑](MEH-PPV) 复合体系的发光特性及量子点QDs(B) 掺杂浓度(质量分数)不同对器件发光特性的影响. 制备了ITO/PEDOT:PSS/MEH-PPV:QDs(B)/LiF/Al 结构的电致发光器件, 测试了器件的电致发光光谱和电学、光学特性. 当QDs掺杂浓度为40%, 驱动电压为8 V时器件能得到较为理想的白光发射. 同时, 对比研究了非掺杂体系的发光特性, 制备了结构为ITO/PEDOT:PSS/MEH-PPV/QDs(B)/LiF/Al的器件, 掺杂体系相较于非掺杂体系, 器件的最大亮度增大, 启亮电压降低, 并分析了掺杂体系器件性能改善的原因.