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.     

非富勒烯受体有机光伏体系的激发态动力学

受益于非富勒烯受体的不断发展,近年来有机光伏器件的性能得到长足进步。传统富勒烯受体有机光伏体系下建立起来的电荷拆分和能量损耗模型,不完全适用于非富勒烯受体体系。我们利用超快光谱学方法,发现在模型体系中,非富勒烯受体畴内非局域激发态代替界面电荷转移态介导了电荷拆分的空穴转移通道,在很小的驱动能下实现高效电荷拆分。非富勒烯体系中双分子复合过程在能量损耗中扮演重要角色,分子氟化设计可以改变能级排列,抑制双分子复合产生的三线态,从而抑制损耗。分子间相互作用调控关键能级位置,可用以调控非富勒烯光伏体系光电流产生机制,有效抑制损耗通道,进一步提升有机光伏体系的效率。     

钙钛矿/硅叠层太阳电池中平面a-Si:H/c-Si异质结底电池的钝化优化及性能提高

最近,旋涂法制备的钙钛矿/平面硅异质结高效叠层太阳电池引起人们广泛关注,主要原因是相比于绒面硅衬底制备的钙钛矿/硅叠层太阳电池,其制备工艺简单、制备成本低且效率高.对于平面a-Si:H/c-Si异质结电池, a-Si:H/c-Si界面的良好钝化是获得高转换效率的关键,进而决定了钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的性能.本文主要从硅片表面处理、a-Si:H钝化层和P型发射极等方面展开研究,通过对硅片表面的氢氟酸(HF)浸泡时间和氢等离子体预处理气体流量、a-Si:H钝化层沉积参数、钝化层与P型发射极(I/P)界面富氢等离子体处理的综合调控,获得了相应的优化工艺参数.对比研究了p-a-Si:H和p-nc-Si:H两种缓冲层材料对I/P界面的影响,其中高电导、宽带隙的p-nc-Si:H缓冲层既能够降低I/P界面的缺陷态,又可以增强P型发射层的暗电导率,提高了前表面场效应钝化效果.通过上述优化,制备出最佳的P-type emitter layer/aSi:H(i)/c-Si/a-Si:H(i)/N-type layer (inip)结构样品的少子寿命与implied-Voc分别达到2855μs和709 mV,表现出良好的钝化效果.应用于平面a-Si:H/c-Si异质结太阳电池,转换效率达到18.76%,其中开路电压达到681.5 mV,相对于未优化的电池提升了34.3 mV.将上述平面a-Si:H/c-Si异质结太阳电池作为底电池,对应的钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的开路电压达到1780 mV,转换效率达到21.24%,证明了上述工艺优化能够有效地改善叠层太阳电池中的硅异质结底电池的钝化及电池性能.     

基于共价有机聚合物空穴注入层的钙钛矿发光二极管EI北大核心CSCD

卤化物钙钛矿(ABX)量子点及其发光器件具有色纯度高、外量子效率高以及在可见光范围内可调等特点,近年来在照明、显示等领域中展现出巨大潜力。然而,钙钛矿量子点发光二极管(PeQLEDs)的稳定性正成为制约其商业应用的最大障碍,除了钙钛矿发光层本身的稳定性问题之外,传输层的水氧稳定性问题也不可忽略。为了解决这一发展过程中的难题,我们提出了基于氮唑类单体构筑共价有机聚合物材料(COP-N)替代传统的PEDOT∶PSS作为空穴注入层材料的新型PeQLEDs。我们发现COP-N具有本征的水氧稳定性,且与PVK之间的空穴注入势垒更小。这些特性使得基于COP-N的PeQLED在取得比PEDOT∶PSS更好发光效率的同时实现了近2倍的稳定性提升。我们认为,这种共价有机聚合物有望成为新型的空穴注入材料,实现高效稳定的钙钛矿电致发光,促进钙钛矿发光器件的发展。     

基于1,2-二氰基苯/聚合物复合材料的高耐久性有机阻变存储器

本文报道了一种基于1,2-二氰基苯(O-DCB)与聚(3-己基噻吩)(P3HT)复合薄膜的高耐久性有机阻变存储器(ORSM).ORSM表现出非易失型和双极性存储特性,电流开关比(I_on/off)超过10⁴,耐久性高达400次,保持时间为10⁵s,V_set和V_reset分别为-6.9 V和2.6 V.器件的阻变机理是陷阱电荷的俘获与去俘获,即负偏压或正偏压诱导电荷陷阱的填充和抽离过程,导致电荷传输方式的改变,从而产生高低电阻间的切换.器件的高耐久性一方面是由于O-DCB较小的分子尺寸和较好的溶解性形成了均匀分布且稳定的电荷陷阱,另一方面是由于O-DCB较好的分子平面促进了其与P3HT共轭链的相互作用.该研究为高耐久性ORSM的实现提供了一种有效途径,加快了ORSM的商业化应用进程.     

热光伏能量转换器件的热力学极限与优化性能预测

受不可逆损失的影响,热光伏能量转换器件在高品位热能回收与利用方面受到限制.本文揭示不可逆损失来源,提供热光伏能量转换器件性能提升方案.利用半导体物理和普朗克热辐射理论,确定热光伏能量转换器件在理想条件下的最大效率.进而考虑Auger与Shockley-Reed-Hall非辐射复合和不可逆传热损失对光伏电池的电学、光学和热学特性的影响,预测热光伏器件优化性能.确定功率密度、效率和光子截止能量的优化区间.结果表明:相比于理想热光伏器件,非理想热光伏器件的开路电压、短路电流密度和效率有所降低;优化热光伏电池电压、光子截止能量和热源温度,可提升器件的功率密度和效率.通过对比发现理论与实验结果较一致,所得结果可为实际热光伏能量转换器件的研制提供理论指导.     

优化反式平面钙钛矿太阳电池性能的简便方法——利用PEDOT:PSS与DMSO共混空穴传输层

优化界面接触、增强界面处载流子传输对于提高钙钛矿电池性能具有重要意义。本研究将适量二甲基亚砜（DMSO）添加到聚（3,4-乙烯二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸盐）(PEDOT∶PSS)空穴传输层中,改善了空穴传输层的导电性和空穴传输特性,有效提高了反式平面钙钛矿太阳能电池光伏性能。短路电流(J_sc)从21.29 mA/cm²提高到22.15 mA/cm²,填充因子（FF）从76.35%提高到80.09%,转换效率（PCE）从16.02%提高到17.01%。薄膜与器件性能综合测试结果表明,DMSO的掺入使PEDOT∶PSS发生适度相分离,形成更好的PEDOT导电通道,增强了PEDOT∶PSS的导电特性。稳态光致发光光谱呈现出显著的荧光猝灭效应,也表明掺杂DMSO后PEDOT∶PSS的空穴提取能力得到提高,钙钛矿活性层与阳极之间的空穴传输更加顺畅,有助于实现高达80%以上的填充因子。本研究为改善反式平面钙钛矿太阳电池或有机太阳电池光伏性能提供了一种高效、简便的方法,具有很好的现实意义。     

FA离子重定向引起的电荷局域显著抑制了FAPbI3钙钛矿电子-空穴复合：时域从头算研究

本文利用从头算非绝热分子动力学结合时域密度泛函理论模拟,计算表明部分FA(FA=HC[NH₂]₂⁺)阳离子的重定向造成电子和空穴局域在不同位置,减小了非绝热耦合并抑制了原子运动,从而显著抑制了FAPbI₃的非辐射电子-空穴复合. 虽然慢的核运动同时增加了退相干时间,但是减小的非绝热耦合是影响电荷复合的主导因素,将电子-空穴复合的时间尺度延长至数纳秒,比原始的FAPbI₃激发态寿命长约3.9倍,与实验结果相符. 研究厘清了实验报导的FAPbI₃激发态寿命增加的机理,为设计高性能的钙钛矿太阳能电池和光电器件提供了合理的策略.