溶剂预处理结合热退火提升聚噻吩结晶度及其光伏性能

活性层的微观形貌在很大程度上决定了聚合物光伏器件的性能表现并依赖于制备工艺条件。为了改善薄膜内部分子排布结构并追求较高的器件光电转化效率,采用溶液法制备了基于P3HT∶PCBM的聚合物太阳能电池(器件结构:ITO/PEDOT∶PSS/P3HT∶PCBM/Al),通过改变器件制备流程中活性层退火处理工艺,研究了热退火、溶剂退火以及溶剂预处理结合热处理的双重退火对聚合物太阳电池性能的影响。研究发现:双重退火的光伏器件的各项性能参数均优于单一退火处理器件,获得了3.25%的光电转化效率。原子力显微镜及X射线衍射仪的表征结果进一步证明:双重退火处理能够在促进聚合物给体良好有序结晶的同时保证共混组分适度地相分离,从而有利于光生激子的解离以及载流子的传输。     

利用双给体实现可见光范围高探测率 有机光电探测器

采用P3HT∶PBDT-TT-C∶PC_(61)BM为活性层,通过溶液旋涂和高真空蒸镀工艺制备了覆盖可见光范围的高探测率有机光电探测器.利用原子力显微镜、紫外可见吸收光谱和荧光光谱研究了窄带隙聚合物红光吸收材料PBDT-TT-C掺入P3HT∶PC_(61)BM对活性层薄膜光学特性和器件电学特性的影响.研究发现当活性层中P3HT∶PBDT-TT-C∶PC_(61)BM质量比为8∶2∶10时,活性层的响应光谱范围拓宽到350～780 nm.其探测器在-1 V偏压下红绿蓝三基色的光响应度和外量子效率分别达到了422 mA/W、464 mA/W、286 mA/W和83%、108%、77%,比探测率均达到10~(12)Jones以上.结果表明,在有机光电探测器活性层中掺入吸收光谱互补的有机材料,在保证薄膜微观形貌的基础上,通过调节三元混合材料的质量比,不仅可以优化载流子的产生和输运,提高器件的光电流,还可通过第三组分的掺入促进薄膜结晶,减小器件的暗电流.     

紫外有机发光器件的激子形成区域优化与掺杂调控

采用空穴传输兼发光层CBP和电子传输兼发光层TAZ构建了紫外有机电致发光器件(UVOLED),通过调控功能层厚度可以优化激子形成区域,进而改善器件性能。实验结果表明:CBP厚度的变化对器件性能影响甚微,而TAZ厚度变化则有显著影响。当CBP和TAZ厚度分别为50 nm和30 nm时,获得了最大辐照度为4.4 m W/cm2@270 m A/cm2、外量子效率(EQE)为0.94%@12.5 m A/cm2,发光来自于CBP主发光峰~410nm以及TAZ肩峰~380 nm的UVOLED器件。在此基础上,通过在CBP/TAZ界面引入超薄[CBP∶TAZ]掺杂层可以加速激子复合,降低器件驱动电压,同时还有利于改善载流子平衡性,提高发光效率(最大EQE达到了0.97%@20 m A/cm2)而不影响光谱特性。     

退火气压对于P3HT∶PCBM微观形貌及光伏性能的影响

通过精确设定不同的退火环境气压, 实现对P3HT(Poly(3-hexylthiophene -2,5-diyl)与PCBM(［6,6］-Phenyl C61 butyric acid methyl ester)体系中聚噻吩结晶度以及共混相分离程度的控制, 并在此基础上制备了结构为ITO/PEDOT∶PSS/P3HT∶PCBM/Al的正型光伏器件。在允许的压强设定范围内, 器件各项性能参数均随退火环境压强的增大表现出先升高后下降的变化规律, 并统一于气压设定为1 500 mTorr时获得最大值。从活性层的紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱中发现P3HT在510 nm吸收峰以及550和600 nm肩峰附近的吸收强度随退火气压升高而增大, 在气压为1 500 mTorr时达到最高, 吸收强度的提升源于聚合物分子π—π堆叠的增加。原子力显微镜(AFM)进一步分析结果表明, 高气压环境(>1 000 mTorr)能够促进P3HT∶PCBM共混组分在退火过程中形成较大程度的相分离, 而当环境压强合适时(1 500 mTorr)适度的相分离利于聚合物形成良好有序结晶, 从而能够提升活性层内部载流子传输能力, 保证较高的短路电流与填充因子, 制备的器件也因此表现出良好的光伏性能, 光电转化效率达到3.56%。     

聚合物和小分子叠层结构有机太阳电池研究

旋涂法和真空蒸发结合制备了MEH-PPV:PCBM体异质结和CuPc/C60有机小分子叠层有机太阳电池. 测试结果表明:MEH-PPV:PCBM有源层和Ag中间层分别为50 nm和0.5 nm时,与同等厚度有源层的MEH-PPV:PCBM体异质结器件和CuPc/C60小分子器件相比,叠层器件太阳能转换效率大大提高,达到了1.86%. 关键词： 聚(2-甲氧基,5-(2-乙基-乙氧基)-对苯乙炔) 铜酞菁 叠层结构 太阳电池     

水溶性V2O5在聚合物太阳能电池中的应用

为了提高聚合物太阳能电池的能量转换效率,选择水溶性V2O5作为阳极缓冲层制备了结构为ITO/TiO2/P3HT∶PCBM/V2O5/Ag的电池器件。V2O5纳米线采用水热法制成。研究了V2O5浓度和退火温度对有机太阳能电池器件性能的影响。实验结果表明:V2O5质量浓度为300μg/mL的器件的效率最高,达到了2.35%,远大于无阳极缓冲层器件的效率0.14%;80℃是V2O5退火的最佳温度。与热沉积方法相比,可溶液处理的V2O5作为阳极缓冲层具有工艺简单且可大面积制备的优点,电池的效率得到了较大幅度的提高。     

退火气压对于P3HT∶PCBM微观形貌及光伏性能的影响

通过精确设定不同的退火环境气压,实现对P3HT(Poly(3-hexylthiophene -2,5-diyl)与PCBM([6,6]-Phenyl C₆₁ butyric acid methyl ester)体系中聚噻吩结晶度以及共混相分离程度的控制,并在此基础上制备了结构为ITO/PEDOT∶PSS/P3HT∶PCBM/Al的正型光伏器件。在允许的压强设定范围内,器件各项性能参数均随退火环境压强的增大表现出先升高后下降的变化规律,并统一于气压设定为1 500 mTorr时获得最大值。从活性层的紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱中发现P3HT在510 nm吸收峰以及550和600 nm肩峰附近的吸收强度随退火气压升高而增大,在气压为1 500 mTorr时达到最高,吸收强度的提升源于聚合物分子π—π堆叠的增加。原子力显微镜(AFM)进一步分析结果表明,高气压环境(>1 000 mTorr)能够促进P3HT∶PCBM共混组分在退火过程中形成较大程度的相分离,而当环境压强合适时(1 500 mTorr)适度的相分离利于聚合物形成良好有序结晶,从而能够提升活性层内部载流子传输能力,保证较高的短路电流与填充因子,制备的器件也因此表现出良好的光伏性能,光电转化效率达到3.56%。     

具有光电倍增的宽光谱三相体异质结有机彩色探测器

实验研究了P3HT：PBDT-TT-F：PCBM三相体异质结活性层光谱拓宽及其材料混合度对探测器光电特性的影响以及陷阱辅助光电倍增的机理.在此基础上,获得了一个覆盖350–750 nm波长范围的彩色探测器.该探测器在-1 V低偏压下红绿蓝三基色的光响应度和外量子效率分别达到了470,381,450 mA/W和93%,89%,121%,比探测率均接近10¹² Jones,且各基色的特性参数最大平均相对偏差均小于20%,同时频率带宽分别达到了5,8,8 kHz.结果表明：在保持二相体异质结薄膜原有微观形貌下,掺入少量光谱拓宽材料可实现活性层吸收光谱的拓宽.利用能级陷阱中电子的辅助作用引入外电路空穴注入,可实现探测器光电倍增.通过调节三相材料的混合度可实现基色间探测能力的均衡性.     

退火处理ZnPc(OC_8H_(17)OPyCH_3I)_8阴极缓冲层的倒置有机太阳能电池

制备了以Zn Pc(OC8H17OPy CH3I)8为阴极缓冲层、P3HT∶PCBM为有源层的有机太阳能电池。对阴极缓冲层Zn Pc(OC8H17OPy CH3I)8薄膜分别进行了溶剂蒸汽退火和过渡舱惰性气体流退火处理,并利用原子力显微镜(AFM)对缓冲层表面形貌进行了表征。结果表明:这两种退火方法都使缓冲层形貌得以改善。电池效率从2.14%提高到3.76%,电流密度从8.12 m A/cm2提高到10.71 m A/cm2,填充因子从0.45提高到0.61。与传统器件相比,退火处理的阴极缓冲层器件的稳定性也得到了改善,器件寿命延长了1.4倍。这种简单阴极界面处理方法为改善聚合物太阳能电池性能提供了有效途径。     

基于silvaco-TCAD的In0.53Ga0.47As/InP红外探测器的仿真

采用silvaco-TCAD研究In0.53Ga0.47As/InP SAGCM-APD光电探测器,对探测器的结构参数对器件的电场分布、击穿电压和贯穿电压的影响进行仿真分析。研究表明电荷层对器件内部电场起到更好的调节作用,但过高的电荷层面密度会导致APD探测器的击穿电压与贯穿电压之差减小。倍增层厚度的增加使击穿电压先减小后增高,贯穿电压线性增加,同时耗尽层宽度变大,使器件电容减小。当倍增区厚度1 μm、偏压为-5 V时,器件电容密度达到了4.5×10-17 F/μm。反向偏置电压为30 V时,APD探测器在1.31 μm和1.55 μm波长下的响应度分别达到1 A/W和1.1 A/W     

基于卟啉化合物的异质结有机太阳能电池

采用混合溶剂制备了四苯基卟啉(TPP)及其铜配合物(TPPCu)和氯化对甲氧基四苯基铁卟啉(TMPPFeCl),将三种卟啉化合物和富勒烯的衍生物(PCBM)分别共混,制备异质结太阳能电池。器件结构是ITO/porphyrin∶PCBM/Al,研究此类电池的性能。结果显示基于TPP∶PCBM的器件性能最优,其短路电流密度(JSC)是0.98mA.cm-2,开路电压(VOC)是0.52V,填充因子(FF)为30.1%。TPP是三种卟啉化合物中最佳的给体材料。进而考察了TPP∶PCBM的不同浓度配比对器件性能的影响。TPP∶PCBM的最佳浓度配比为1∶1,增加或减少TPP的量都会使器件的短路电流和开路电压降低,对填充因子的影响不大。     

Influence of morphology of PCDTBT:PC71BM on the performance of solar cells

Because of the restriction of low energy difference between the highest occupied molecular orbital of P3HT and the lowest unoccupied molecular orbital of PCBM, the obtained power conversion efficiency of P3HT:PCBM solar cells is merely half the ideal value. In this paper, we have fabricated bulk heterojunction solar cells based on PCDTBT and PC71BM (structure: ITO/PEDOT:PSS/PCDTBT:PC71BM/LiF (0.8 nm)/Al (80 nm)). In order to optimize the performance of the cells, the weight ratio of PCDTBT to PC71BM, the thickness of the active layer and thermal annealing are investigated. When the weight ratio of PCDTBT to PC71BM is 1:2 and the thickness of the active layer is 73 nm, a short circuit current density of 10.36 mA/cm², an open-circuit voltage of 0.91 V, a fill factor of 55.06 % and a power conversion efficiency of 5.19 % can be achieved. Moreover, we probe the influence of annealing temperature on the performance of organic solar cells, and find that the thermal treatment methodology (apart from the removal of trapped casting solvent) is of limited benefit.     

Nanosilver surface plasmon response enhanced the photovoltaic performance of organic solar cells

Nanosilver island thin films with different thickness were synthesized by vacuum vapor deposition between ITO and PEDOT:PSS for organic solar cells, forming the structure of ITO/AgNPs layer/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al. Surface morphology and UV–vis absorption spectrum were investigated by AFM and UV–vis scanning spectrophotometer. It was found that after adding the nanosilver film, the optical properties of the device were enhanced with increasing the thickness of nanosilver island films. When the thickness of nanosilver thin films is 3.0 nm, the most significant surface plasmon response and red-shift of the resonance absorption peak appeared. Meanwhile, short circuit current density of the device increased from 9.93 mA/cm² to 12.98 mA/cm², the fill factor increased from 49.35% to 52.79% and the power conversion efficiency increased from 3.05% to 4.01%. These results provided a theoretical guidance to optimize the design and increase the performance of solar cells.     

PTCDI-C8作为阴极修饰层提高钙钛矿太阳能电池的性能

采用N,N'-二正辛烷基-3,4,9,10-苝四甲酰二亚胺（PTCDI-C₈）对钙钛矿电池电子传输层（PCBM）进行界面修饰以减少PCBM与Al电极之间的漏电流,提高阴极的电子收集效率。通过调节PTCDI-C₈薄膜的厚度优化界面接触和电子传输性能。实验结果表明：当PTCDI-C₈薄膜的厚度为20 nm时得到的器件性能最优。光电转换效率（PCE）由5.26%提高到了8.65%,开路电压（V_oc）为0.92 V,短路电流（J_sc）为15.68 mA/cm²,填充因子（FF）为60%。PTCDI-C₈能够有效阻挡空穴向阴极传输,同时PTCDI-C₈具有较高的电子迁移率以及较高的稳定性,在增加电子传输的同时,可减少环境对PCBM的侵蚀,提高了器件的稳定性。     

Photoinduced degradation of organic solar cells with different microstructures

An in situ measurement setup is established to investigate the photoinduced degradation effects in a controllable inert gas ambient environment for the two different microstructures of poly(3-hexylthiophene)(P3HT) and [6,6]-phenyl-C61-butyricacid methyl ester(PCBM) bulk-heterojunction organic solar cells. The two devices are fabricated with the solvent vapor drying process followed by a thermal annealing(vapor drying device) and only a normal thermal annealing process(control device), respectively. Their power conversion efficiencies(PCEs) and aging features are compared. Their different degradation behaviors in light absorption are confirmed. In addition, irradiation-induced changes in both nanostructure and surface morphology of the P3HT:PCBM blend films treated with two different fabrication processes are observed through scanning electron microscopy and atomic force microscopy. Aggregated bulbs are observed at the surfaces for control devices after light irradiation for 50 h, while the vapor drying devices exhibit smooth film surfaces, and the corresponding device features are not easy to degrade under the aging measurement. Thus the devices having solvent vapor drying and thermal annealing show better device stabilities than those having only the thermal annealing process.     

Annealed Treatment Effect in Poly（3-hexylthiophene）：Methanofullerene Solar Cells

Polymer photovoltaic devices based on poly（3-hexylthiophene） （P3HT） ： [6,6]-phenyl-C61-butyricacid methyl ester （PCBM） 1：1 weight-ratio blend are reported. The effects of various annealing treatments on the device performance are investigated. Thermal annealing shows significant improvement of the device performances. For devices at 130℃ annealing, maximum power conversion efficiency （PCE） of 3.3% and All factor up to 60.3% is achieved under air mass 1.5, 100 m W/cm^2 illumination. We discuss the effect of thermal annealing by the results of ultraviolet-visible absorption spectroscopy （UV-vis）, dark current-voltage curve, atomic force microscopy （AFM）.     

NiO_x作为空穴传输层对有机太阳能电池光吸收的影响

基于多层膜系模型的传输矩阵方法、麦克斯韦方程和光子吸收方程,研究了NiOx作为替代3,4-乙撑二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)的空穴传输材料对聚3-己噻吩(P3HT)和富勒烯衍生物([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester,PC61BM)共混体异质结有机太阳能电池器件内部光电场分布和光吸收特性的影响.分别制备了以NiOx和PEDOT:PSS为空穴传输层,P3HT:PCBM为活性层的有机太阳能电池,并通过数值模拟的方法比较了NiOx和PEDOT:PSS两种空穴传输材料对器件光伏特性的影响.结果表明:10 nm的NiOx空穴传输层器件比40 nm的PEDOT:PSS器件获得了更大的短路电流和填充因子,并具有更高的能量转化效率.