杂化太阳电池中异质结界面的修饰及其对电池光电性能的影响

有机-无机杂化太阳电池综合了有机、无机材料的优点,成本低、理论效率高,受到人们的广泛关注.杂化太阳电池的光活性层由无机半导体和有机共轭聚合物复合而成.当光照射到活性层上时,共轭聚合物吸收光子产生激子(电子-空穴对);激子迁移到有机给体-无机受体的异质结界面处发生解离而产生自由电子和空穴;自由电子和空穴分别向无机半导体和有机聚合物传输,从而实现电荷的分离和传导.激子在有机-无机异质结界面处的分离效率是影响电池性能的一个重要因素.有机、无机两相材料往往因为接触面积小以及相容性差使此两相材料接触不佳,激子迁移到此界面不能有效分离,从而严重影响了杂化太阳电池的效率.这个问题可以通过此界面的修饰加以改善.本文即综述了有机-无机异质结界面修饰的方法、作用和意义,并展望了杂化太阳电池未来的发展趋势和应用前景.     

染料敏化太阳电池中TiO2/染料/电解质界面的修饰

染料敏化太阳电池(DSC)作为新型太阳电池自问世以来受到了广泛关注, 其系统内部的接触界面尤其是TiO₂/染料/电解质界面一直是该领域的研究热点. 光敏染料的吸附以及电子的注入、传输和复合都发生在该界面, 其界面性质对DSC性能具有很大影响. 对染料敏化太阳电池中TiO₂/染料/电解质界面进行修饰可以有效抑制染料聚集和电子复合, 提高电子的注入效率与传输速率; 同时, 对TiO₂导带边的位置及染料吸附等也产生一定的影响, 最终提高电池的光电转换效率和稳定性. 本文主要从不同的修饰途径详细评述了TiO₂/染料/电解质界面修饰方法及机理研究进展,包括TiO₂光阳极的修饰改性、染料溶液中共吸附剂的引入和多种染料共敏化处理以及电解质中不同功能添加剂的应用. 指出了这些修饰方法目前存在的主要问题, 并对未来的发展方向进行了展望.     

N3敏化Ho3+离子修饰TiO2纳米晶电极的光电化学性质

研究了Ho3+离子表面修饰对TiO2纳米晶电极光电性能的影响. TiO2表面氧化钬的存在一方面降低了染料和TiO2之间的电子注入速率, 而另一方面它也能够抑制电荷复合. 结果表明, 在TiO2纳米晶薄膜表面修饰一定厚度的Ho3+离子层, 在电极表面就形成了一个势垒, 能够有效抑制电极表面的电荷复合, 从而提高了染料敏化太阳能电池的光电压和光电转化效率. 在93.1 mW·cm-2白光照射下, TiO2/Ho-0.1 和TiO2/Ho-0.2(0.1 和0.2分别是修饰TiO2电极的Ho3+溶液的浓度, 单位是mol·L-1)两个电极的光电转化效率分别达到8.3%和7.6%, 与TiO2电极(7.2%)比较, 分别增大了15%和5%.     

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.     

N3敏化Ho~（3＋）离子修饰TiO2纳米晶电极的光电化学性质

研究了Ho3+离子表面修饰对TiO2纳米晶电极光电性能的影响.TiO2表面氧化钬的存在一方而降低了染料和TiO2之间的电子注入速率,而另一方面它也能够抑制电荷复合.结果表明,在TiO2纳米晶薄膜表面修饰一定厚度的HO3+离子层,在电极表面就形成了一个势垒,能够有效抑制电极表面的电荷复合,从而提高了染料敏化太阳能电池的光电压和光电转化效率.在93.1 mW·cm-2白光照射下,TiO2/Ho-0.1和TiO2/Ho-0.2(0.1和0.2分别是修饰TjO2电极的Ho3+液的浓度,单位是mol·L-1)两个电极的光电转化效率分别达到8.3%和7.6%,与TiO2电极(7.2%)比较,分别增大了15%和5%.     

电极功函数对TiO2/PbS平面异质结激子太阳电池性能影响的理论模拟

采用一维微光电子结构分析模型(AMPS-1D)软件模拟分析了由TiO2纳米晶薄膜与PbS量子点薄膜组成的平面异质结激子太阳电池中电极功函数对电池性能的影响. 通过在界面上引入厚度为2 nm的激子发生分离的自由载流子产生层, 得到电池的电流-电压曲线、 电子电流及空穴电流的空间分布等信息. 模拟结果表明, 透明导电氧化物电极的功函数可以在一定区间内变化而不影响电池效率, 但是金属电极功函数的变化则会明显影响电池输出性能, 这是因为PbS与金属电极之间的肖特基(Schottky)接触会对电池性能产生负面作用.     

P3HT/CdS/TiO2/ZnO一维有序核壳式纳米棒阵列的构制及其在杂化太阳电池中的应用研究

采用恒电位法在铟锡氧化物导电玻璃(ITO)上制备了高度有序一维ZnO纳米棒阵列,将ZnO纳米棒阵列在TiO2溶胶中采用提拉法制备出了一维TiO2/ZnO核壳式纳米棒阵列.在一维TiO2/ZnO核壳式纳米棒阵列上电沉积CdS纳米晶得到一维CdS/TiO2/ZnO核壳式纳米棒阵列,然后在一维CdS/TiO2/ZnO核壳式纳米棒阵列上电沉积聚3-己基噻吩(P3HT)薄膜得到P3HT/CdS/TiO2/ZnO核壳式纳米结构薄膜.以该纳米结构薄膜电极为光阳极制备出新型纳米结构杂化太阳电池,研究了该类电池的光电转换性能,初步探讨了该类电池的工作机理.     

制备二氧化钛分枝纳米棒阵列结构以提高聚合物杂化太阳电池的性能

分别采用一步水热法和两步水热法在导电玻璃(FTO)上制备了二氧化钛(TiO₂)纳米棒(NR)阵列和TiO₂分枝纳米棒(B-NR)阵列。 利用低温化学浴沉积法(CBD)在TiO₂纳米棒阵列(NRA)和TiO₂分枝纳米棒阵列(B-NRA)基底上沉积Sb₂S₃纳米粒子(NPs)。 接着分别旋涂聚-3已基噻吩(P3HT)和2,2'7,7'-四-(二甲氧基二苯胺)螺芴(Spiro-OMeTAD)组装成TiO₂(NRA)/Sb₂S₃/P3HT/Spiro-OMeTAD和TiO₂(B-NRA)/Sb₂S₃/P3HT/ Spiro-OMeTAD为光活性层的杂化太阳电池。 结果表明,由TiO₂(NRA)/Sb₂S₃/P3HT/Spiro-OMeTAD复合膜结构组装的杂化太阳电池的光电转换效率(PCE)是2.92%,而由TiO₂(B-NRA)/Sb₂S₃/P3HT/Spiro-OMeTAD复合膜结构组装的杂化太阳电池的PCE提高到了4.67%。     

脉冲激光法制备修饰纳米Eu_2O_3/聚苯胺导电杂化薄膜

采用聚焦脉冲激光法(PLA-IT/SFL)制备修饰纳米Eu2O3/聚苯胺有机溶胶及其杂化薄膜材料。考察了制备条件对修饰纳米Eu2O3/聚苯胺有机溶胶荧光性能的影响。TEM显示Eu2O3粒子粒径约为15 nm且其在聚苯胺中有较高的稳定性。荧光光谱表明该杂化薄膜材料在紫外光照射下发出强烈的红光,且荧光强度达2.53×105a.u。杂化薄膜材料的电导率为1.13×10-2S.cm-1。热分析表明该杂化薄膜比导电性聚苯胺(PAN-HCSA)薄膜具有更好的热稳定性。该杂化薄膜材料可望用于电致发光领域。     

CdS/TiO2复合纳米微粒的原位合成及性质研究

采用一种新方法,在TiO₂表面原位合成CdS纳米微粒,并用红外光谱跟踪了CdS/TiO₂复合纳米微粒的形成过程.紫外吸收光谱研究表明TiO₂对CdS纳米微粒的形成有很好的稳定作用,荧光光谱研究结果表明,这种纳米异质结构有着良好的电荷分离.     

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.     

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.     

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.     

Improved Photovoltaic Performance of MEH-PPV/PCBM Solar Cells via Incorporation of Si Nanocrystals

We have studied the effect of silicon nanocrystals （SiNCs） as a third component on performance of organic bulk heterojunction solar cells composed of poly[2-methoxy,5-（2＇-ethylhexyloxy）-l,4-phenylene vinylene] （MEH- PPV）：[6,6]-phenyI-C61-butyric acid methyl ester （PCBM） blend film. By adding suitable amounts of SiNCs into MEH-PPV：PCBM blend, the device performance such as external quantum efficiency, short circuit current density （Js（）, and power conversion efficiency （PCE） improved. Incorporation of 2.5% SiNCs in the blend led to 13.6% improvement of Jsc, which in turn resulted in 18% improvement of PCE up to 2.28%. The improved performance was mainly due to the improvements both in the charge generation from the interface of MEH-PPV/SiNCs and the charge collection at the cathode.     

多孔TiO2层厚度对钙钛矿太阳能电池性能的影响

制备了基于不同厚度(100～500 nm)多孔TiO₂层的钙钛矿太阳能电池, 并用SEM、XRD、紫外-可见吸收谱、电压-电流曲线、电化学阻抗谱进行了表征. 研究发现, 多孔TiO₂薄膜厚度对电池性能有很大影响, 即随着多孔TiO₂薄膜厚度的增加, 短路电流略有提高, 而开路电压和填充因子呈下降趋势;但同时, 较厚的多孔TiO₂薄膜可有效减弱滞回现象. 进一步采用电化学阻抗谱和暗态电流-电压曲线研究了载流子复合. 电化学阻抗谱表明, 膜厚增加会增大载流子复合但不会改变二极管理想因子. 通过拟合暗态电流-电压曲线得到反向饱和电流, 随着膜厚增加, 反向饱和电流会增大, 从而加剧了载流子复合. 通过优化多孔TiO₂薄膜厚度, 基于150 nm多孔TiO₂薄膜钙钛矿电池的认证效率达到15.56%.     

二氧化钛纳米晶溶胶内渗透电极对染料敏化太阳能电池的光伏性能的提高

以自制的过氧钛酸(PTA)水溶液为前驱体,用水热法制备了透明锐钛矿相二氧化钛溶胶.无需有机添加剂可得到直径小于7 nm的棒状二氧化钛纳米晶溶胶.通过将溶胶内渗透到染料敏化太阳能电池(DSSCs)的多孔二氧化钛电极后,消除了多孔电极内的大孔并改善了电极内纳米晶之间的连通性.用扫描电子显微镜(SEM)和光学轮廓仪对溶胶内渗透后的光阳极进行了表征.结果表明:小颗粒棒状二氧化钛纳米晶附着在多孔的二氧化钛表面,填充了电极由于烧结产生的大孔,并在多孔的二氧化钛内部形成了有利于电子传输的网络结构.与未经处理的多孔电极相比,改性后的光阳极组装成染料敏化太阳能电池后光电转化效率提高了64%.     

有机高分子/无机半导体杂化太阳能电池的发展现状与展望

有机高分子/无机半导体杂化太阳能电池是一类以共轭聚合物和无机半导体材料的复合材料为主要原料制备的太阳能电池。本文详细论述了杂化太阳能电池的工作原理,并根据其工作原理分析了影响杂化太阳能电池效率的影响因素,包括给体材料的选择、异质结形态、光敏层厚度、无机半导体的选择与表面改性及电池的退火处理等,并从各个影响因素的角度对杂化太阳能电池的发展进行了讨论,最后从共轭聚合物的角度对杂化太阳能电池的发展做出了展望,指出想要进一步提高杂化太阳能电池的效率,未来应该在对已知共轭聚合物进行改性或合成新的共轭聚合物上投入更多的精力.