Charge Carrier Dynamics in PDPP-F/PCBM Heterojunction Solar Cells

The morphology dependent of migration and recombination kinetics of charge carriers in the polymer solar cell based on poly {2,7'-9,9-dioctylfluorene-alt-5-diethylhexyl-3,6-bis(5-bromothiophen-2-yl)pyrrolo[3,4-c]-pyrrole-1,4-dione}(PDPP-F) was investigated with photo-induced charge carrier extraction by linearly increasing voltage technique. The recombination coefficient of charge carriers decreased and the mobility of charge carriers increased, after the mass ratio of[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester(PCBM) increased from 3:2 to 2:1. Meanwhile, both of them were sensitive to the applied electric field and could be together responsible for the improvement of voltage performance of polymer solar cell.     

用CdSe/ZnS量子点提高体异质结有机太阳电池的效率

通过掺杂吸收光谱在可见光波段的量子点可提高聚合物对可见光的吸收,因此掺杂CdSe/ZnS核-壳结构量子点(CQDs)能提高聚(3-己基噻吩):[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(P3HT:PCBM)体异质结太阳电池的能量转换效率.本文研究了CdSe/ZnS量子点在P3HT:PCBM中的不同掺杂比例及其表面配体对太阳电池光伏性能的影响,优化器件ITO(氧化铟锡)/PEDOT:PSS(聚(3,4-乙撑二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸)/P3HT:PCBM:(CdSe/ZnS)/Al的能量转换效率达到了3.99%,与相同条件下没有掺杂量子点的参考器件ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al相比,其能量转换效率提高了45.1%.     

Graphdiyne Oxide Modified NiOx for Enhanced Charge Extraction in Inverted Planar MAPbl3 Perovskite Solar Cells

The interface defects and nickel vacancies of the NiOx lead to interface charge recombination,which limits its application in perovskite solar cells.Here,graphdiyne oxide(GDYO)was added to NiOx as an inorganic hole transporting material.It is found that the average carrier lifetime declined from 29.2 ns to 5.4 ns and the recombination resistance increased significantly after the GDYO adding determined by the time-resolved photoluminescence and electrochemical impedance spectroscopy analysis.We further demonstrated that the GDYO adding to NiOx effectively improved the charge extraction,accelerated the charge transportation and suppressed the charge recombination.Consequently,the optimized NiOx(GDYO)-based cell showed superior performance with a higher fill factor(81.99％)and improved stability with respect to the reference device.This method provides a new method for property regulation of NiOx in inverted planar MAPbl3 perovskite solar cells.     

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。     

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.     

电化学阻抗谱研究聚合物凝胶电解质对染料敏化太阳能电池性能的影响

用甲基丙烯酸β-羟乙酯(HEMA)与N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)共聚物P(HEMA-NVP)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)与N-乙烯基吡咯烷酮共聚物P(MMA-NVP)为原料制备了聚合物凝胶电解质, 用电化学阻抗谱(EIS)研究了聚合物凝胶电解质中聚合物基质的结构与组成对准固态染料敏化太阳能电池(DSSCs)光伏性能的影响. 不同交联剂用量、不同HEMA用量的P(HEMA-NVP)共聚物及不同MMA用量的P(MMA-NVP)吸收液态电解质后分别形成HGelI、HGelII、MGel凝胶电解质. 结果发现, 随共聚物P(HEMA-NVP)中交联剂由0.1%(w, 下同)增大到0.6%时, 形成的HGelI 组装的DSSCs的光电转化效率(η)先增大后降低, 交联剂用量为0.4%时, DSSCs的η为最大, 为5.54%(光强100 mW·cm^-2). 同时, 比较HGelII 系列和MGel 系列DSSCs的光电性能参数发现, 含有羟基的HGel 系列的η要高于MGel 系列, 而后者的开路电压(V_oc)值高于前者. 在HGelII 系列中, HEMA含量为60%(w)时, DSSCs的η最高. 电化学阻抗谱分析表明共聚物中交联结构的不同影响了电池内部的界面阻抗及离子的传输, 引入羟基有利于降低界面阻抗. 通过调整共聚物中交联剂用量和羟基含量可改善DSSCs的光伏性能.     

萘并双噻二唑及其衍生稠环受体在D-A型聚合物太阳能电池给体材料中的应用

聚合物太阳能电池因其质量轻、柔性、可溶液制备成大面积器件等优点受到学术界和产业界的广泛关注。目前,聚合物太阳能电池仍然处于实验室研究阶段,研究重点依然集中在器件效率以及使用寿命的进一步提高上。开发新颖高效的聚合物太阳能电池材料是持续提高电池器件效率的原动力。给体(D)-受体(A)型共轭聚合物材料具有宽的光谱吸收、可调节的能级水平、强的分子内电荷转移过程等特征,成为聚合物太阳能电池材料设计的重要策略之一。众多的给体和受体结构单元已被筛选用来构建高性能的D-A型共轭聚合物光伏材料。其中,萘并双噻二唑及其衍生稠环受体结构单元因其具有刚性的共轭平面、强的吸电子能力等特点,被广泛用于设计高性能的聚合物太阳能电池给体材料。基于此,本文综述了萘并双噻二唑及其衍生稠环受体构筑单元在发展D-A型聚合物给体材料方面的应用,并对该类材料的发展方向和前景提出了展望。     

锌掺杂对TiO2染料敏化电池光阳极中电荷俘获态分布及电子复合过程的影响

基于瞬态光电压和瞬态光电流技术研究了锌掺杂的TiO2染料敏化太阳能电池中电子复合及传输的动力学行为.通过实验获得了不同阳极掺杂条件下的电子复合时间常数与电子收集时间常数,考察了锌掺杂对电池阳极材料导带能级和电子俘获态的影响.研究结果表明,锌的掺杂在提高TiO2导带能级的同时延长了俘获态电子的复合时间常数,从而大大提高了电池的开路电压.     

Impact of Alkoxyl Tail of Fullerene Dyad Acceptor on Crystalline Microstructure for Efficient External Treatment-free Polymer Solar Cells with Poly(3-hexylthiophene) as Donor

A series of tri(alkoxyl)benzene-fullerene dyads(PCBB-Cn, n=4, 6, 8, 10, 12) with varied tri(alkoxyl) chain lengths was designed, synthesized and used as acceptor materials in polymer solar cells(PSCs). The five fullerene dyads possess similar absorption spectra in dilute solution, decreased glass-transition temperature(T_g) and gradually elevated lowest unoccupied molecular orbital(LUMO) energy levels from -3.87 eV to -3.73 eV with the increase of the alkoxy chain length. In the fabrication of PSCs with poly(3-hexylthiophene)(P3HT) as donor and the fullerene dyads as acceptor, PCBB-Cn with longer tri(alkoxyl) chains and lower T_g can induce crystalline structure of P3HT during spin-coating the photoactive layer at room temperature and form nanoscale phase separated interpenetrating network of P3HT:PCBB-Cn blend films, which results in the improvement of photovoltaic performance of PSCs. A power conversion efficiency of 3.03% for the PSCs based on P3HT:PCBB-C10 was obtained without thermal annealing or solvent annealing. The thermal and solvent annealing-free fabrication using the fullerene dyads as acceptor is very important for the roll to roll production of PSCs with flexible large area.     

绝缘氧化物包覆对钙钛矿太阳电池性能及界面电荷复合动力学的影响

采用浸渍法对钙钛矿太阳电池的介孔层TiO₂纳米颗粒进行了SiO₂、ZrO₂、Al₂O₃几种绝缘氧化物包覆,研究了其对电池光伏性能以及界面电荷复合动力学的影响。结果表明, SiO₂包覆之后,电池的填充因子(FF)从67.6%提高到72.3%,光电转换效率提升到13.7%, ZrO₂和Al₂O₃包覆导致电池开路电压提升约50mV,但是短路电流(J_sc)和填充因子略有下降。采用纳秒时间尺度的瞬态吸收光谱技术,从时间分辨的角度分析了钙钛矿电池界面的电子和空穴的复合寿命,对电池性能的变化给出了合理的解释。     

TFTTP作为阴极缓冲层提高有机薄膜太阳能电池的内建电场和载流子收集效率

采用一种新型的电子传输材料TFTTP作为阴极缓冲层提高基于SubPc/C60异质结的有机薄膜太阳能电池的性能. 通过在有机活性层和金属电极之间加入TFTTP界面层,器件的能量转换效率提高了约30%. 系统研究了器件的二极管特性、光电流特性以及内部的光场分布情况,结果表明,TFTTP阴极缓冲层的引入可以有效地提高器件的内建电场,进而增加电荷转移激子的分离效率. 通过使用TFTTP作为阴极缓冲层,在C60/金属界面形成良好的欧姆接触,降低了界面接触电阻,有利于自由载流子的收集.     

薄膜结构及形貌对钙钛矿电池性能的影响

采用液相连续沉积法制备了有机/无机杂化钙钛矿太阳电池,并研究了不同形貌钙钛矿(CH3NH3PbI3)光活性层对太阳电池性能的影响.实验结果表明在连续沉积法中PbI2的结构对CH3NH3PbI3层的形貌具有重要的影响,PbI2薄膜中适当的孔洞结构有利于其与CH3NH3I充分反应形成CH3NH3PbI3层.致密的PbI2层造成PbI2的转化不完全,导致CH3NH3PbI3颗粒较小,吸收较弱,影响电池的短路电流.而CH3NH3PbI3颗粒过大会引起CH3NH3PbI3薄膜孔洞产生,造成电池的开路电压下降.通过对电池制备工艺的优化获得了13.5%的最佳光电转换效率.     

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.     

聚合物:富勒烯薄膜光伏电池的反常高温热稳定性研究

聚合物太阳能电池光电转换效率已接近商业化要求,但稳定性差却成为其实用化瓶颈因素.高温暴晒是聚合物太阳能电池实用化必须面临的环境,因此提高聚合物太阳能电池的热稳定性至关重要.本文以典型的Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl(P3HT):[6,6]-Phenyl-C61-butyric acid methyl ester(PC61BM)基聚合物太阳能电池为研究模型,考察其在不同加热温度下(50~110℃)持续工作时的器件效率变化行为,结果发现电池在高温下表现出一种非常规的性能衰减再回升的行为,具体表现为高温下电池首先表现指数式急速衰减(20%~25%),随后发生反常的性能快速恢复至接近初始效率,之后电池保持超长的高温稳定性.光学显微镜和激光光束诱导电流成像结果证明,顶电极覆盖可以有效抑制活性层中PC61BM的聚集结晶,因而电池的反常热诱导稳定性提升与PC61BM的大量聚集结晶无关.活性层薄膜的紫外可见吸收光谱和器件外量子效率的表征结果证明,持续高温加热没有促进PC61BM二聚体的形成,反而有利于PC61BM二聚体的解离.综合实验分析结果,推测PC61BM在光照下的快速二聚反应及其高温解离是导致电池表现出反常热稳定性提升行为的主要原因.实验结果揭示了初期制备的聚合物太阳能电池实际处于一种亚稳态,对器件进行短暂的前期热退火有利于稳定活性层结构,消除亚稳态,有效提升器件稳定性.本研究工作不仅对富勒烯基聚合物太阳能电池的热诱导反常稳定性提升机理机制给出了解释,而且提供了一种提高聚合物太阳能电池稳定性的新策略.     

添加剂对染料敏化太阳电池电解质性能的影响

以N-甲基咪唑、苯并咪唑、叔丁基吡啶和离子液体1-甲基-3-乙基咪唑三氟乙酸盐(EMITA)作为染料敏化太阳电池(DSCs)电解质溶液中的添加剂, 使用超微电极通过循环伏安法研究其对液体电解质中I-3和I-氧化还原行为的影响, 通过电化学阻抗谱研究了上述四种添加剂对Pt电极电解质界面的影响. 结果表明, 添加剂EMITA的加入使I-3在电解质中的扩散系数减小, Pt电极电解质界面上的界面传输电阻Rct增大, 电解质的电阻降低; 光伏性能测试表明, EMITA的添加提高了DSCs的开路电压和填充因子, 其DSCs的光电转换效率达到了5.72%.     

聚合物-富勒烯太阳能电池器件物理研究进展

近期共轭聚合物-富勒烯太阳能电池的器件效率已突破10%并接近商业应用的标准,在科研和产业领域引起了广泛关注. 伴随器件效率的提升,对有机太阳能电池器件物理过程的认识也在不断深入. 本文就近年来聚合物太阳能电池的代表性工作进行综述,着重介绍提高器件效率的新方法,涵盖三相本体异质结、反向器件、等离激元共振效应和叠层器件等热点技术;并就器件工作的物理过程进行探讨,介绍热激子分离理论、非整数次电荷复合等新观点. 通过材料设计、器件表征优化和理论计算等方法对聚合物太阳能电池进行的综合研究将有力推进这一新兴领域的发展和产业化.     

电沉积表面修饰对染料敏化太阳电池微观性能影响机理研究

为了改善染料敏化太阳电池内电子的传输复合过程, 研究者尝试不同方法制备或改性TiO₂薄膜. 对TiO₂薄膜进行后处理, 在其表面引入一层小颗粒层, 是一种有效的方法并被广泛研究. 通过对TiO₂薄膜不同时间的电沉积表面修饰, 细致研究了表面修饰后染料敏化太阳电池微观性能的变化机制. 采用阳极氧化法在TiCl₃水溶液中对TiO₂薄膜进行电沉积后处理, 将溶液pH值调至2.2, 装置的反应速率由恒电位仪控制. 不同沉积时间电池带边移动以及电子传输复合的动力学过程, 借助强度调制光电流谱(IMPS)/强度调制光电压谱(IMVS)和电化学阻抗谱(EIS)等探测技术表征. 研究表明, 电沉积在TiO₂薄膜表面引入了大量浅能级陷阱态, 以致电势较高时电容随沉积时间延长增加明显. 不同时间的电沉积表面修饰在TiO₂薄膜表面形成了新的小颗粒层并改善了TiO₂颗粒间接触, 在改善电子注入及收集过程的同时, 也有效抑制了内部电子复合. IMPS/IMVS结果表明, 电沉积对动力学过程改善的效果受光强影响明显, 弱光下作用更为突出. 此外, 电池开路电压主要受带边移动及内部复合变化影响, 随沉积时间延长, 表面电荷的增多使TiO₂薄膜带边逐渐正移, 有效改善了光电流却限制了开路电压的提升. 在适合的电沉积时间下, 电沉积表面修饰可以同时改善光电流和光电压.     

纳米级包覆层厚度对染料敏化太阳电池中电子注入效率和电子寿命的影响

选取氧化钐作为包覆材料, 采用浸渍法对已烧结好的纳米TiO₂多孔薄膜电极进行修饰, 并将其应用于染料敏化太阳电池中, 研究了纳米级氧化钐包覆层厚度及均匀性对染料敏化太阳电池中电子注入效率和电子复合过程的影响和作用机制. 结果表明, 包覆层厚度对电子注入效率和电子复合具有明显影响, 且电子注入效率和电子寿命随包覆层厚度的增加而呈现相反的变化趋势, 包覆层厚度在0.4 nm以内, 电池性能最好.     

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%。