非晶/结晶共混对聚合物光伏电池性能的影响

以局域规整聚（3-己基噻吩） （P3HT）制备了TiO₂/聚合物型双层结构光伏电池.利用稳态电流-电压测试和动态强度调制光电压谱,结合差热分析、吸收光谱和荧光光谱, 研究了非晶支化聚亚乙基亚胺（BPEI）作为P3HT膜层的添加成分对TiO₂/P3HT双层电池性能的影响.由于P3HT链的高结晶性,使得TiO₂/P3HT界面接触不好,导致电池性能差.当在P3HT中共混重量比W_BPEI/P3HT=1％—5％的BPEI时,电池性能得到显著改善;尤其是当W_BPEI/P3HT= 1％时,电池表现出近0.8V的开路电压和20μA/cm²的短路电流.结果表明BPEI对电池性能的影响不是源于P3HT-BPEI共混体系光学性能的变化,而主要是由于其改变了TiO₂/P3HT界面接触性能.BPEI对TiO₂/P3HT界面接触有两个相互竞争的影响,这取决于P3HT-BPEI共混体系的组成.一方面,通过降低P3HT的结晶度和增强与TiO₂表面的相互作用,改善P3HT链在TiO₂ 表面的附着;另一方面,当BPEI含量过高时,BPEI在TiO₂表面的附着量将增加,反而会阻碍P3HT与TiO₂表面的接触.良好的TiO₂/P3HT界面接触有利于提高激子的界面分离效率、光生电子的寿命和电池效率.本文结果有望为聚合物光伏电池性能的改善提供新的认识和方法. 关键词： 聚（3-己基噻吩） 二氧化钛 共轭聚合物 光伏电池     

多温度阶梯退火对有机聚合物太阳能电池器件性能的影响

以聚3-己氧基噻吩(P3HT)作为给体,富勒烯衍生物(ICBA)作为受体,制备了体异质结结构的聚合物太阳能电池,研究不同热退火条件对器件的光伏输出特性及稳定性的影响.研究发现,采用多温度、阶梯退火比单一温度退火能使器件的光伏输出性能明显提高,与此同时器件的寿命显著延长,可以在未封装的环境下保持器件性能的稳定,减缓器件的衰退.     

基于小分子半导体IEICO的高性能倍增型有机光电探测器

采用溶液法制备了结构为ITO/ZnO/P3HT:IEICO/Al和ITO/PEDOT:PSS/P3HT:IEICO/Al的倍增型有机光电探测器,活性层中电子给体(P3HT)和电子受体(IEICO)的质量比为100:1.以氧化锌(ZnO)为界面层的器件在正向与反向偏压下都能良好工作,而以PEDOT:PSS为界面层的器件只...     

缓冲层提高有机聚合物光伏电池性能研究

在分析有机聚合物复合体光伏电池机理及等效电路模型基础上,研究了界面旋涂缓冲层对聚合物给体/受体复合体结构光伏器件性能的影响.制备了基于P3HT/PCBM的给体 受体复合体薄膜有机光伏电池,并分别在有机活性层和ITO基底之间以及有机活性层和电极之间插入TFB和F8BT缓冲层.实验证明：在ITO和活性层之间旋涂TFB作为阳极缓冲层,可增加有机聚合物光伏器件的短路电流,在活性层和电极之间插入F8BT作为阴极缓冲层,可增大光伏器件的开路电压,提高器件的转换效率.     

基于P3HT给体的单/双受体平面异质结电池性能及其介电特性

为了研究分析界面电荷等特性对器件的影响,制备了基于P3HT给体的单/双受体平面异质结(PHJ)有机太阳能电池(OPV)。首先研究了P3HT膜厚、P3HT溶剂和P3HT膜层的干燥时间对器件性能的影响。为了提高P3HT/Sub Pc PHJ电池的性能,采用双受体的三元器件结构(P3HT/Sub Nc/Sub Pc),制备了结构为ITO/PEDOT∶PSS/P3HT/Sub Nc/Sub Pc/BCP/Al的三元瀑布型OPV器件并研究了Sub Nc层厚度对其性能的影响。结果表明,在二元器件(P3HT/Sub Pc)体系中,P3HT溶于氯仿和1,2-二氯苯混合溶剂,成膜后干燥10 min退火获得的器件性能最佳。在三元器件中,随着Sub Nc厚度的增大,器件光电转换效率(PCE)先增大后减小。当Sub Nc厚度为5 nm时,器件PCE达到最大。相比于二元器件,三元器件的各项性能得到明显提升。最后,比较研究了不同厚度Sub Nc薄膜对器件介电特性的影响。     

TiO2光学间隔层增强聚合物太阳能电池光吸收的分析

基于共轭聚合物给体材料聚3-己基噻吩（P3HT）和富勒烯衍生物受体材料（6,6）-苯基-C61（PCBM）共混的体异质结结构的聚合物太阳能电池因其空穴载流子迁移率低而限制了P3HT:PCBM功能层厚度,从而影响了器件对入射光的吸收、在聚合物功能层和反射电极间插入TiO₂光学间隔层可以使器件内电场重新分布并改善器件的光吸收.基于薄膜传递矩阵法计算了不同的P3HT:PCBM功能层厚度和TiO₂插入层厚度的器件内光电场和光吸收.理论分析证明:器件结构为铟锡氧化物（ITO）（100 nm）/聚3,4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐PEDOT:PSS（40 nm）/P3HT:PCBM/TiO₂/LiF（1 nm）/Al（120 nm）时,插入10 nm厚的TiO₂膜层可以使器件的聚合物功能层厚度在减薄25 nm的同时增加16.3%的光子吸收数,并且不明显降低功能层的激子分离概率,即功能层和TiO₂光学间隔层厚度分别约为75和10 nm时的器件性能为宜,此结果通过器件性能实验得以证实.     

NPB阳极缓冲层对反型结构聚合物太阳能电池性能的影响

制备了给体材料为poly(3-hexylthiophene)(P3HT),受体材料为[6,6]-phenyl-C60-butyric acid methyl ester(PCBM),器件结构为ITO/ZnO/P3HT:PCBM/NPB(0,1,5,10,25 nm)/Ag的反型体异质结聚合物太阳能电池.不同厚度的N,N′-diphenyl-N,N′-bis(1-naphthyl)-1,1′-biphenyl-4,4′-diamine(NPB)阳极缓冲层被用来改善器件性能,研究了NPB阳极缓冲层对器件特性的影响.研究发现,1 nm厚的NPB改善了器件的载流子收集效率,增加了器件的短路电流与开路电压.当NPB缓冲层的厚度达到25 nm时,过厚的NPB导致串联电阻增加,使得器件特性大幅下降.通过电容-电压测试,进一步研究了不同厚度NPB对器件载流子注入与收集的影响,1 nm厚的NPB修饰并没有改善器件的载流子注入但是增加了器件对光生载流子的收集效率,过厚的NPB使得自由载流子的复合占据主导.适合厚度的NPB可以作为一种阳极缓冲层材料应用于聚合物太阳能电池提高器件特性.     

阴极缓冲层对于不同惰性气氛气压退火处理的 P3HT∶PCBM光伏性能的影响

制备了基于聚(3-己基噻吩)(P3HT)与可溶性富勒烯衍生物(PCBM)共混体系的太阳能电池。通过改变活性层退火处理时惰性气氛环境的压强,在一定程度上实现对共混物相分离以及聚合物结晶度的控制,研究了LiF作为阴极缓冲层对不同压强下退火处理的器件性能的影响。实验发现,LiF层的关键作用在于稳定开路电压以及提升短路电流,从而带动转化效率整体提升。结果表明,LiF层可以改善器件活性层与金属电极接触的界面形态,而器件的最终性能则由活性层的微观形貌与电极界面形态共同决定。     

三元P3HT:PTB7-Th:PCBM聚合物太阳能电池性能的研究

将窄带隙聚合物PTB7-Th作为第三种物质掺入到P3HT:PCBM中制备了双给体结构的三元聚合物太阳能电池, 并且通过改变PTB7-Th的浓度来研究PTB7-Th对器件性能的影响. 研究发现, 掺入PTB7-Th后, 聚合物太阳能电池的短路电流和填充因子同时获得了提高, 使器件的光电转换效率得到了改善. 进一步分析表明, PTB7-Th的加入能够拓宽活性层的吸收光谱, 增加活性层吸收的光子数目, 有利于短路电流的提升. PTB7-Th与P3HT之间以电荷转移的形式相互作用, 这种作用方式有利于激子的解离, 从而使器件的填充因子得到了提高.     

二甲基亚砜添加剂对聚合物太阳能电池性能的影响

研究了二甲基亚砜(DMSO)掺杂浓度对基于聚(3-己基噻吩)(P3HT)和(6,6)-苯基碳60丁酸甲酯(PCBM)为有源层的聚合物太阳能电池性能影响。结果表明,掺杂DMSO可以提高聚合物太阳能电池短路电流密度和填充因子。DMSO掺杂质量比为3%时,电池短路电流密度提高到7.88 mA·cm-2,填充因子为55.5%。能量转换效率达到2.54％,相比没有掺杂DMSO的电池,能量转换效率提高了17%。傅里叶变换红外光谱被用于鉴定和分析掺杂DMSO对材料P3HT∶PCBM化学性质的影响。傅里叶变换红外光谱表明,掺杂后P3HT和PCBM的化学性质都没有改变。为分析掺杂DMSO改善器件能量转换效率的原因,通过紫外-可见光谱和电流密度-电压特性曲线分别表征器件的光吸收能力以及电致发光器件的载流子迁移率。与P3HT∶PCBM薄膜相比,P3HT∶PCBM∶DMSO薄膜在可见光范围内的吸收峰有明显红移且吸收强度增强。可见光吸收的改善是实现短路电流密度提高的有力保障。太阳能电池性能的增强是因为DMSO的掺杂提高了P3HT∶PCBM的载流子迁移率和吸收光谱宽度。     

Exploring alkylthiol additives in PBDB-T:ITIC blended active layers for solar cell applications

Bulk heterojunction, non-fullerene PBDB-T:ITIC blend polymer solar cells have been fabricated. The active layers consisting of PBDB-T as a donor and ITIC as an acceptor are optimized using a series of alkylthiol additives(1,3-propanedithiol, 1,4-butanedithiol, and 1,8-octanedithiol). It is found that the donor and acceptor are phase separated with different crystalline domains. The additives effectively re-organize the morphology and extend the molecule ordering in lamellar structure with increased correlation length in ITIC domain, benefiting the generation and dissociation of exciton and reducing charge recombination. A substantial improvement in power conversion efficiency of the devices from 8.13% to 9.44% is observed. This study shows that the application of alkylthiol additives is a simple and effective approach to improve the device performance in solar cells based on polymer/non-fullerene blend system.     

Effect of Ultraviolet Light on Hybrid Zinc Oxide Polymer Bulk Heterojunction Solar Cells

Compared to conjugated polymer poly[2-methoxy-5-（3＇ ,7＇-dimethyloctyloxy）-l,4-phenylenevinylene] （MDMO-PPV） solar cells, bulk heterojunction solar cells composed of zinc oxide （ZnO） nanocrystals and MDMO-PPV have a better energy conversion efficiency. However, ultraviolet （UV） light deteriorates the performance of solar cells composed of ZnO and MDMO-PPV. We propose a model to explain the effect of UV illumination on these ZnO：MDMO-PPV solar cells. According to this model, the degradation from UV illumination is due to a decrease of exciton dissociation efficiency. Our model is based on the experimentM results such as the measurements of current density versus voltage, photoluminescence, and photocurrent.     

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.     

Field-enhanced charge flow in nanorod heterostructure solar cells

Recent studies on organic heterostructure solar cells have indicated that interface morphology plays an important role in determining the quantum efficiency. Hybrid heterostructure mixing donor and acceptor semiconductors appear to offer the best opportunity in achieving superior performance and there are indications that a network of percolated heterojunctions can be quite effective in promoting light absorption and exciton quenching. Charge transport and collection efficiency, however, appear to be more complex in the bulk heterostructure and the nature of charge flow depends largely on the type of current paths in existence. We report in this work the possible existence of field-assisted charge flow in the nanorod heterostructure solar cells when carriers of different polarity move in close proximity. The field-effect associated with the charge density gradients can exert a force on the nearby carriers resulting in an increase in the short-circuit current. The model is used to explain data reported in the literature on solar cells composed of TiO₂ nanorods embedded in a conjugated polymer.     

新型高效聚合物/富勒烯有机光伏电池研究进展

有机聚合物/富勒烯本体异质结光伏电池以其不断提高的能量转换效率受到了研究人员的广泛关注, 近年来成为光伏电池研究领域的热点之一. 本文主要通过对聚合物/富勒烯太阳能电池的内部机理,包括光吸收、激子扩散和解离以及自由载流子输运和提取等关键科学问题, 从器件材料和结构优化、形貌控制和界面修饰等不同侧面介绍了提高聚合物/富勒烯太阳能电池性能的方法, 讨论了各种器件的结构和能量转换效率, 对于进一步开展这方面的研究工作指明了方向, 最后对其未来的发展前景做出了展望.     

ZnO/Ag/ZnO multilayer transparent electrode for highly-efficient ITO-Free polymer solar cells

Ultrathin metal film (UTMF) with a ZnO/Ag/ZnO hybrid structure was used as transparent electrode in a high-efficiency bulk heterojunction system for the fabrication of ITO-free polymer solar cells. The performance of the devices was carefully tuned through optical simulation using transfer matrix method by varying the thickness of ZnO seed layer and thin absorber layer. By employing appropriate device architecture, polymer solar cells fabricated using this UTMF-based electrode show efficiency as high as 9.49%, which is slightly higher compared to that of ITO-based device. From good agreement between the external quantum efficiency and optical modeling, it was found that the optimized microcavity configuration formed in UTMF-based device can greatly enhance the absorbance of the BHJ layer at longer wavelength as well as the favored exciton distribution for better charge transport and collection.     

阳极缓冲层修饰对聚合物太阳能电池性能的影响

为提高聚合物太阳能电池的能量转换效率,将聚乙二醇(PEG)掺入PEDOT∶PSS阳极缓冲层,研究了阳极缓冲层修饰对聚合物太阳能电池性能的影响。首先研究了聚乙二醇对PEDOT∶PSS薄膜电导率的影响,发现PEG会与PEDOT和PSS相互作用,使得PEDOT链重新排布,有利于电荷载流子的传输,从而显著改善了PEDOT∶PSS薄膜的电导率,当PEDOT∶PSS中掺入体积分数为2%~4%的PEG时,可得到较大的电导率。然后,以PEG修饰的PEDOT∶PSS薄膜作为阳极缓冲层制备了聚合物太阳能电池,研究了PEG的掺入对聚合物太阳能电池性能的影响。实验发现,PEG改善的PEDOT∶PSS电导率有利于提高电池的短路电流密度和填充因子,从而改善了器件光伏性能。当PEDOT∶PSS中掺入体积分数为2%的PEG时,聚合物太阳能电池的能量转换效率最高,比未掺杂的器件提高了24.4%。     

Improved performance of polymer solar cells by using inorganic,organic, and doped cathode buffer layers

The interface between the active layer and the electrode is one of the most critical factors that could affect the device performance of polymer solar cells. In this work, based on the typical poly(3-hexylthiophene):[6,6]-phenyl C61-butyric acid methyl ester(P3HT:PCBM) polymer solar cell, we studied the effect of the cathode buffer layer(CBL) between the top metal electrode and the active layer on the device performance. Several inorganic and organic materials commonly used as the electron injection layer in an organic light-emitting diode(OLED) were employed as the CBL in the P3HT:PCBM polymer solar cells. Our results demonstrate that the inorganic and organic materials like Cs_2CO_3, bathophenanthroline(Bphen), and 8-hydroxyquinolatolithium(Liq) can be used as CBL to efficiently improve the device performance of the P3HT:PCBM polymer solar cells. The P3HT:PCBM devices employed various CBLs possess power conversion efficiencies(PCEs) of 3.0%–3.3%, which are ca. 50% improved compared to that of the device without CBL. Furthermore, by using the doped organic materials Bphen:Cs_2CO_3 and Bphen:Liq as the CBL, the PCE of the P3HT:PCBM device will be further improved to 3.5%, which is ca. 70% higher than that of the device without a CBL and ca. 10% increased compared with that of the devices with a neat inorganic or organic CBL.     

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。