高性能聚合物光伏材料的设计与应用

高性能聚合物光伏材料对于推动聚合物太阳能电池领域的发展具有十分重要的作用.随着研究的深入,聚合物光伏材料从早期的聚噻吩体系逐步发展到具有推拉电子作用的给体-受体(D-A)交替共聚物,其相应的器件光伏效率也从最初的1%左右提升到如今超过11%.近十年来,种类繁多的给受体单元被开发并应用于聚合物材料的构建中,其中基于苯并二噻吩(BDT)单元的聚合物材料因为具有良好的光伏性能,得到了十分广泛的应用.近年来,非富勒烯受体的迅速发展给聚合物太阳能电池的研究注入了新的活力,BDT类聚合物在基于非富勒烯受体的聚合物太阳能电池中也展现出重要的作用,已经获得了超过11%的光电转化效率.本文简要介绍了我们在高性能聚合物光伏材料的设计与应用中的相关工作,主要分为聚噻吩和苯并二噻吩材料的设计与应用、活性层形貌调控以及非富勒烯聚合物太阳能电池的相关研究.     

二氧化钛膜参数对离子液体基染料敏化纳米薄膜太阳电池性能的影响

Photo correlation spectroscopy was used to measure the particle size distribution of TiO2 films. Other parameters, such as porosity, BET surface area, average pore size, crystallite size D101, distribution of pore size etc. were also measured. The effects of these parameters on the ionic liquid based dye-sensitized solar cells （DSC） were studied. It was concluded that the particle size distribution of nanocrystalline TiO2 played an important role on the performance of DSC. The narrow particle size distribution of nanocrystalline TiO2 increased the efficiency of DSC, while the wide distribution decreased the efficiency of DSC. From the result above, it was also concluded that the photo correlation spectroscopy was a good method to identify the performance of TiO2 films. Based on electrochemical impedance spectroscopy, we found that the particle size distribution could affect the electronic contact between the TiO2 layers as well. The narrow particle size distribution made the electronic contact between TiO2 layers better than the wide particle size distribution of the TiO2 films, and then better the electronic contact, higher the efficiency of the DSC.     

CdS/CdSe/TiO2多级空心微球光阳极中量子点覆盖度的提高

TiO₂多级空心微球(THHSs)具有高的比表面积、强的光散射效应以及良好的电子传输性质,以此作为光阳极材料,可以显著提升CdS/CdSe敏化太阳能电池(QDSSCs)的性能。但基于化学浴沉积方法获得的这一类电池中量子点在光阳极表面的覆盖度通常不高(50%左右),本文发展了一种基于表面选择性吸附原理的多步沉积方法,选取特定分子(正十二硫醇)限制已有量子点的生长,通过二次沉积成功提高了CdS/CdSe在TiO₂多级空壳微球表面的覆盖度。使用此方法最终得到高达85.4%的覆盖度。结果表明,量子点覆盖度的增加有效提高了电池对太阳光的利用率,使得光电流获得了明显的增加。同时,二氧化钛空白表面积的减小还可以抑制电子和空穴的复合。优化后的电池光电流密度为15.69 mA·cm^-2,填充因子为0.583,电压为0.605 V,最高光电转换效率为5.30%。     

阴极界面修饰层改善平面p-i-n型钙钛矿太阳能电池的光伏性能

有机/无机杂化金属卤化物钙钛矿半导体材料结合了有机材料良好的溶液可加工性以及无机材料优越的光电特性,近几年受到了热捧,成为太阳能电池领域一颗耀眼的明星. 伴随着钙钛矿薄膜结晶过程和形貌的优化、器件结构的改进以及电极界面材料的开发,这类有机/无机杂化金属卤化物钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从最初的3.8%迅速提高到目前最高的22.1%. 其中界面工程在提升器件性能上发挥着极其重要的作用. 本文总结了平面p-i-n型钙钛矿太阳能电池中阴极界面修饰层（CBL）的研究进展. CBL从材料上讲可分为无机金属氧化物、金属或金属盐以及有机材料,从构成上讲可分为单层CBL、双层CBLs以及共混型CBL. 本文对这些类型的CBL分别给予详细的介绍. 最后,我们归纳出CBL在改善器件效率和稳定性上所起的作用以及理想CBL所应满足的要求,希望能为以后阴极界面修饰材料的设计提供一定的借鉴.     

电沉积ZnO纳米棒阵列及共形结构杂化太阳能电池

采用电沉积法制备出ZnO致密纳米颗粒膜和不同尺寸的纳米棒阵列。通过在ZnO上旋涂p型聚合物聚3-己基噻酚(P3HT)与n型富勒烯衍生物[6,6]-苯基-C61丁酸甲酯(PCBM)的混合物,并蒸镀金属Ag,制备出不同结构的杂化太阳能电池。通过扫描电镜、X射线衍射、光致发光和模拟太阳光光电性能测试,对ZnO的生长条件、晶体形貌及缺陷与太阳能电池性能之间的关系进行了系统研究。结果表明,ZnO的形貌和晶体缺陷的分布对杂化太阳能电池有重要影响,避免共混聚合物与ZnO缺陷聚集区的直接接触可有效消除电流泄漏。在电池结构方面,与ZnO纳米阵列块状结构杂化太阳能电池相比,共形结构的杂化太阳能电池可有效缩短空穴到金属电极的传输距离,增大聚合物与金属电极的接触面积,光电转换效率可提升64%~101%。     

基于侧链为烷基硫苯的萘二酰亚胺单元的新型聚合物受体的合成及其光电性能

以N-（4-巯基苯基）乙酰胺、7-（溴甲基）十五烷和二溴萘二羧酸酐为原料合成了侧链为烷基硫苯的萘二酰亚胺（NDI）衍生物,将其作为受体单元,硒吩衍生物为给体单元,合成了基于NDI的新型聚合物受体(PNDI PSHD),同时合成了基于苯并二噻吩的D-A型共聚物PBDT(T) TPD作为给体材料,将聚合物给体、受体混合制备聚合物太阳能器件。聚合物的结构和光电性能经¹H NMR、 GPC、 UV、 CV和荧光发射光谱表征,并测试了器件的光伏性能。结果表明：给受体聚合物均具有较高的相对分子量,在太阳光范围具有强而宽的吸收,同时具有相对较低的最高电子占用轨道（HOMO）和最低电子未占用轨道（LUMO）能级,给受体聚合物混合后引起荧光猝灭,器件的能量转换效率（PCE）达到0.72%。     

苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩的结构修饰及在有机光伏材料中的应用

近年来,苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩(benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene,BDT)作为构筑给体-受体结构有机半导体材料的优良电子给体,受到越来越多的重视,已广泛应用于场效应晶体管和有机光伏电池等领域。BDT类有机共轭材料具有优良的能级结构,同时又具有较高的载流子迁移率,目前报道的基于BDT的有机共轭聚合物的最高光电转换效率达到9.2%(单节光伏器件的最高效率),显示了其在有机太阳能电池领域巨大的应用前景。本文从BDT的结构修饰出发,系统地综述了基于BDT的有机光伏材料的最新研究进展,重点讨论BDT类光伏材料能级结构和聚集态形貌对光电性能的影响。     

基于P3HT空穴传输层的钙钛矿太阳能电池性能仿真研究

利用AMPS-1D软件对钙钛矿太阳能电池性能进行仿真.研究发现,当P3HT厚度500 nm时,钙钛矿太阳能电池的短路电流密度Jsc=18.995 mA/cm2,光电转换效率Ef=17.425;,填充因数FF=0.824,开路电压Voc=1.113 V.钙钛矿太阳能电池的光吸收层厚度为400 nm时,钙钛矿太阳能的光电转化效率最大.钙钛矿太阳能电池开路电压、短路电流密度、填充因数和光电转化效率等性能随着阴极材料功函数的增大而减.通过理论计算对制备高性能的太阳能电池具有指导性作用.     

适用于太阳能电池的新型无铅四元硫碘化物优异光电性能的第一性原理研究

有机-无机混合卤化钙钛矿因优异的光电性能和制备简易而受到了许多国内外科研人员关注。然而,有机-无机杂化卤化钙钛矿的稳定性不佳和铅的毒性限制了其商业应用。四元硫碘化物,由于ns²孤对阳离子和更强的金属-硫键,具有适当的带隙、高介电常数和良好的稳定性。本文提出了一种新的四元硫碘化物材料Ba₂BiS₂I₃以解决铅基钙钛矿所面临的稳定性和毒性问题。通过第一性原理计算,确定了该材料具有适当太阳能电池带隙、高介电常数、较小的有效质量和低激子结合能,有潜力成为新的优异光伏材料。此外,计算预测这些材料具有出色的光吸收性能。Ba₂BiS₂I₃的理论光谱极限最大效率超过28%。这项研究为无铅四元硫碘化物用于新的光伏材料提供了可能性。     

纳米TiO2薄膜光阳极的制备及性能

本文以钛酸正丁酯为前驱物、乙醇作为分散剂、二乙醇胺作为螯合剂、聚乙二醇作为表面活性剂,采用溶胶-凝胶法制备得到一种TiO2溶胶,并通过乙酸或氨水作用后制得另外两种溶胶,分别在室温于ITO导电玻璃上涂制,得到5种单一粒径范围纳米TiO2薄膜和具有两种粒径范围膜层的6种纳米TiO2薄膜;XRD和SEM等测试结果表明,纳米TiO2薄膜为锐钛矿相或锐钛矿与金红石相的混合相,其粒径分布范围在15～30nm,30～50 nm,40～80 nm区间。采用浸渍法将所制备的膜进行染料的敏化,得到染料敏化纳米TiO2薄膜半导体光阳极,测试结果表明,在所制备的纳米TiO2薄膜中,具有两种粒径范围膜层的纳米TiO2薄膜的光电性能相对较好。