添加剂和溶剂退火协同优化制备高性能厚膜有机太阳能电池

通过溶剂添加剂1-氯萘(CN)和二硫化碳(CS_2)溶剂退火(SVA)协同优化了基于窄带隙小分子受体的厚膜活性层形貌,揭示了该策略对共混膜形貌的调控机理,研究了其对活性层中的载流子动力学以及器件光伏性能的影响.结果表明,CN添加剂可以有效促进受体材料结晶聚集,CS_2溶剂退火能够进一步提升活性层材料分子堆积的有序性,同时优化给受体材料相分离尺寸,降低共混膜表面的粗糙度,实现了良好的纳米尺寸相分离形貌.基于CN+SVA处理的PM6∶Y6厚膜(300 nm)器件的电荷传输和复合性质得到改善,取得了15.23%的光电转换效率(PCE),显著高于未经处理(PCE=11.75%)和仅用CN处理(PCE=13.48%)的光伏器件.该策略具有良好的适用性,将基于PTQ10∶m-BTP-PhC6器件的光伏性能从13.22%提升至16.92%.

聚甲基丙烯酸甲酯乳胶膜在溶剂退火过程中的结构演变

通过乳液聚合的方法得到了单分散的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)乳胶分散液,利用小角X射线散射技术得到乳胶分散液中乳胶颗粒的粒径以及粒径分布.PMMA乳胶分散液在硅片上成膜后,利用椭偏仪和扫描电子显微镜研究了其在2种溶剂退火过程中的膜厚以及结构变化.干燥后的PMMA乳胶膜在相对良溶剂丙酮的溶剂退火过程中存在粒子的形变及溶胀2个过程,而在相对不良溶剂乙醇的溶剂退火过程中仅存在粒子的溶胀过程.

不同环境压强下溶剂退火对聚合物太阳能电池性能的影响

通过改变溶剂退火时的环境压强控制溶剂的蒸发速率,在不同压强下进行加压溶剂退火制备了基于聚-3己基噻吩∶富勒烯衍生物(P3HT∶PCBM)的体异质结聚合物太阳能电池。X射线衍射(XRD)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)以及原子力显微镜(AFM)的测试结果表明,增大溶剂退火的环境气压改善了薄膜的结晶度,增强了有源层的光吸收,提高了P3HT和PCBM的相分离程度,更有利于激子的解离和载流子传输。与在常压下溶剂退火相比,在2.0 MPa压强下对有源层进行溶剂退火的器件的光电转换效率提高了29%,达到了3.69%。

NMP溶剂退火制备高效钙钛矿太阳电池

钙钛矿薄膜中的PbI2缺陷会引起载流子复合,降低电池性能。通过对一步法制备的钙钛矿薄膜进行NMP(N-甲基吡咯烷酮)溶剂退火,减少热处理过程中有机阳离子的损失,实现钙钛矿晶界处PbI2缺陷的减少,同时增大晶粒尺寸、实现薄膜粗糙度及起伏度的调控。结果表明NMP溶剂退火方法可抑制薄膜中的非辐射复合,降低缺陷态浓度,实现薄膜光吸收的增强,从而提高钙钛矿太阳电池的短路电流和填充因子。与未经过NMP溶剂退火处理的电池相比,该方法制备的钙钛矿太阳电池的平均效率提高10.51%,最高效率提高22.15%。

溶剂退火处理空穴传输层对改善钙钛矿电池性能的影响

近年来,基于CH_3NH_3PbX_3(X=Cl,Br,I)材料的钙钛矿太阳能电池发展迅速。控制钙钛矿电池中每一层的形貌对于提高电池性能的影响至关重要。使用溶剂退火的方法处理空穴传输层(spiro-OMeTAD),使其表面形貌更加平整均匀,从而改善了空穴传输层与金属电极的接触,减小了电阻,更加有利于电子的传输和收集。使用氯仿进行溶剂退火以后,钙钛矿电池光电转化效率从原来的11.3%提高到了13.1%。其中开路电压、短路电流密度、和填充因子均有大幅提高。电池的迟滞现象从原来的8.8%减小到1.5%。经过长时间测试,使用溶剂退火以后的电池稳定性也有明显改善。研究论证了溶剂退火处理空穴传输层对于制备高性能、低迟滞、更稳定的钙钛矿太阳能电池具有至关重要的作用。

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。

溶剂去除速度对于溶剂退火薄膜相形貌的影响

以聚苯乙烯-聚4-乙烯基吡啶(PS-b-P4VP)嵌段共聚物作为研究对象,采用DMF作为退火溶剂,以原子力显微镜(AFM)和透射电子显微镜(TEM)为表征手段,研究了溶剂退火后期溶胀薄膜中溶剂的去除速度对于薄膜相形貌的影响,发现通过改变溶剂去除速度可以有效的调控薄膜中的形貌.当薄膜厚度为35 nm时,DMF的快速挥发会导致薄膜中形成以PS为分散相的反转柱状相结构,当降低溶剂的挥发速度时,薄膜中形成了以PS为分散相的环状形貌,当进一步减缓挥发速度时,薄膜中将形成台阶状的片层结构;然而当薄膜厚度为55 nm时,溶剂退火后期薄膜中形成的是以P4VP为分散相的正常柱状相结构,在相同溶剂去除速度条件下薄膜相形貌变化较小.

循环溶剂退火条件下柱状相组成的两嵌段共聚物薄膜自组装行为的模拟研究

采用蒙特卡洛模拟研究了体相形成柱状相的两嵌段共聚物薄膜在循环溶剂退火条件下的自组装行为.结果表明,在循环溶剂退火条件下,溶剂蒸发速率、溶剂选择性和有效薄膜厚度与柱状相周期的匹配性都会影响形成垂直柱状结构的表面选择性窗口(β窗口).当溶剂蒸发速率在一定范围内时,β窗口随蒸发速率的增大而增大.溶剂对长嵌段的选择性越强,形成垂直柱状结构的β窗口越宽.当溶胀比约为1.5时的薄膜厚度与柱状相周期不匹配时更利于形成垂直柱状结构.通过对链节均方位移曲线的分析发现,在循环溶剂退火条件下高分子链节在垂直方向的扩散始终快于平行方向,因此链节优先沿垂直方向聚集,从而促进了垂直柱状结构的形成.循环溶剂退火条件下,β窗口比溶剂退火条件下的宽,同时大幅度减少了退火时间.

溶剂蒸发退火聚合物诱导红荧烯的结晶

在掺杂氟的二氧化锡(FTO)透明导电玻璃衬底上分别以聚碳酸酯(PC)、聚乳酸(PLA)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)作为异质诱导层,采用溶剂蒸发退火(SVA)的方法制备了红荧烯晶体薄膜,通过偏光显微镜(POM)、X射线衍射仪(XRD)研究了晶体薄膜的结构和形态,探讨了聚合物种类、聚合物溶液质量浓度以及红荧烯溶液质量浓度对结晶的影响。分析发现,PC作为基底对红荧烯结晶的诱导效果优于PLA和PET,并分别确定了以PC为基底时聚合物和红荧烯溶液的最佳旋涂质量浓度。结果表明,在退火过程中,随着红荧烯溶液质量浓度的增加,晶体薄膜经历了从以三斜晶系为主到以正交晶系为主的晶型转变,在PC溶液质量浓度为5 mg/mL、红荧烯溶液质量浓度为9 mg/mL时,红荧烯结晶覆盖率高,结晶效果较好。

溶剂蒸汽退火对钙钛矿薄膜形貌和电池性能的影响

针对钙钛矿太阳能电池钙钛矿吸光层在溶液法旋涂中出现的薄膜旋涂不均匀、针孔、结晶性不好的现象,采用溶剂蒸汽退火和直接接触嵌入法(DCIP)结合的方法制备了结晶均匀并且晶体比较大的钙钛矿活性层。结果表明,当二甲基亚砜(DMSO)的加入量为15μL时,钙钛矿的平均粒径由大约300nm增加到>1 200nm,对应电池的光电转化效率也由11%升高到14.33%.由此提高了钙钛矿太阳能电池的性能,并为制作面积较大的钙钛矿太阳能电池提供了依据和方法。

溶剂蒸汽退火辅助微距升华法制备C8-BTBT单晶

有机半导体单晶由于具有内部长程有序的分子排列结构、缺陷及晶界少等优点,表现出优异的光电性能,是实现有机半导体器件实用化的一种重要材料。目前,研究者们已经发展出多种可应用于有机单晶的生长方法,其中,微距升华法是一种可以在大气环境下采用蒸镀的方式制备有机微/纳单晶的方法。然而,当将这种方法应用于C8-BTBT时发现,由于分子的熔点较低,蒸镀得到的是分子直接从液态凝固为无定形/多晶的结构。在本工作中,通过使用溶剂蒸汽退火的方式对其进行后处理,成功地将这种无定形/多晶结构转化为分立的单晶。为了表征所得到的晶体形貌和结构,分别使用光学显微镜、X射线衍射和原子力显微镜等仪器对其进行了表征,发现所制备的晶体结构具备单晶的典型特征。

聚苯乙烯-b-聚乙烯基吡啶超分子可控自组装及其表征

嵌段共聚物超分子自组装体形成的有序结构能够提供比共价键更加稳定的连接位点,而有效且快速的退火方法是嵌段共聚物自组装技术中的研究热点。将嵌段共聚物聚苯乙烯-b-聚(4-乙烯基吡啶)(PS-b-P4VP)和3-n十五烷基苯酚(PDP)作为模型体系,三氯甲烷作为溶剂,制备出柱状结构的超分子组装体。功能性链段P4VP与小分子PDP之间具有强氢键作用,在饱和氯仿蒸汽退火的过程中,通过控制退火时间制备出高度有序的柱状结构固体样品。对柱状结构演变过程进行详细探究,扩展了其在多孔碳材料的制备、化妆品纳米载体技术、能量储存/转换装置等方面的应用。

溶剂蒸汽压对溶液法制备PVP绝缘膜的影响

利用溶剂蒸汽辅助旋涂和辅助退火(SVA)工艺制备了PVP栅绝缘膜,并研究了SVA过程中溶剂蒸汽压对PVP膜特性的影响。根据椭偏光谱的柯西模型和有效介质近似(EMA)模型,对椭偏谱参数拟合分析得到了PVP膜光学参数与其微结构的关系。拟合结果表明,随着蒸汽压的增大,PVP膜总厚度(均小于30nm)和粗糙层厚度均降低,膜致密性得到改善。由这种膜构成的MIS结构的J-V特性测试结果显示,当蒸汽压由0.21增加至0.82时,在电场为5 MV/cm的条件下,其漏电流密度由1.04×10-6 A/cm2降至1.42×10-7 A/cm2。而且在蒸汽压为0.82时可得到膜厚仅约为20nm、单位面积电容达到145nF/cm2的超薄PVP膜。

溶剂蒸汽辅助制备超薄PVP栅介质膜及性能研究

使用溶剂蒸汽辅助制备超薄PVP栅介质膜,得到了低漏电流密度(E=1 MV/cm时,为1.12×10-9A/cm2;E=2 MV/cm时,为5.42×10-9A/cm2)、膜厚为10 nm的超薄PVP栅介质膜,其单位面积栅电容达到了566 nF/cm2。此外,AFM测试表明溶剂蒸汽辅助退火使薄膜表面粗糙度由0.36 nm降到了0.21 nm,空间电荷限制电流法(SCLC)的分析结果表明薄膜体内陷阱密度减少了26%。

不同热处理氛围改善CH_3NH_3PbI_3钙钛矿薄膜形貌和结晶

有机-无机金属卤素钙钛矿太阳能电池作为新一代光伏技术已经吸引到众多关注。近期研究表明,不管是在介空结构还是平面异质结结构的钙钛矿电池中,每次钙钛矿效率的重大突破都归因于钙钛矿薄膜质量的提高。钙钛矿太阳能电池与其他多晶薄膜太阳能电池相似,增加晶粒尺寸和减少晶界可以极大的增加器件效率。在本文中,钙钛矿薄膜形貌和结晶度在最优化的热处理过程可以得到极大的改善和提高。我们制备的高性能平面异质结钙结构钙钛矿太阳能电池,获得了17.81%的最高效率和17.44%±0.5%的平均效率。

钙钛矿薄膜的微结构和光电特性优化

分别以纯二甲基甲酰胺、纯二甲基亚砜以及二者不同比例的混合物作为前驱体溶剂,制备钙钛矿薄膜样品.将薄膜样品分为两组,分别将其置于氮气氛围中进行热退火和二甲基亚砜蒸汽氛围中进行溶剂退火,并对薄膜样品的微观结构和光电特性进行系统研究分析.结果表明,与热退火相比,经溶剂退火后样品的平均晶粒尺寸和均匀性显著提升,从而减小了薄膜中晶粒边界或界面的体积分数.采用混合前驱体溶剂和后续溶剂退火增加了薄膜的厚度和可见光的利用率,有效改善了薄膜形貌,优化了结晶质量.同时薄膜光致发光强度的增加,表明薄膜缺陷态密度降低.采用优化后的钙钛矿薄膜作为吸收层制备太阳电池,其光电转换效率达到15.7%.

CH_3NH_3PbI_3钙钛矿太阳电池晶粒尺寸及光电性能调控

钙钛矿薄膜的晶粒尺寸对器件性能影响很大。采用湿润性不同的空穴传输层以及不同浓度的CH_3NH_3I(MAI)溶液,使用热退火和溶剂气氛退火的方法制备出CH_3NH_3PbI_3薄膜及相应电池。测量了不同制备条件的钙钛矿薄膜的X射线衍射、扫描电子显微镜、光致发光谱,以及器件的电流密度-电压曲线。结果表明,溶剂气氛退火可以有效地增大薄膜的晶粒尺寸,提高器件的电流密度;较高浓度的MAI能将PbI2完全转化为CH_3NH_3PbI_3,增大晶粒尺寸;不湿润的功函数更高的空穴传输层有利于电池效率的提高。制备了最高效率为13.3%的CH_3NH_3PbI_3钙钛矿电池,为制备更大晶粒的钙钛矿薄膜与更高效率的钙钛矿太阳电池奠定了基础。

基于小分子NDT高效异质结的超快动力学研究(特邀)

利用飞秒瞬态吸收光谱对三个经不同处理且光电性能有明显差异的NDT基异质结薄膜(无己基取代混合膜,己基取代混合膜以及己基取代并做溶剂退火处理的混合膜)进行了研究。结果显示这三个异质结薄膜,其电荷分离态大部分都是由激子态直接演化来的,并没有经过电荷转移态。在这三个混合膜中,己基取代并做溶剂退火处理的混合膜表现出最大电荷分离产率,己基取代但不经过溶剂退火处理的混合膜拥有最长的电荷分离态寿命。结合它们的电子-空穴迁移率,从动力学的角度给出了己基取代及溶剂退火处理增强光电转换效率的原因在于提高了电荷分离态寿命、增强了电荷分离产率以及平衡了电子-空穴迁移率。此研究可为将来优化光电转换效率提供参考。

InAs纳米颗粒的制备及性能表征

以InCl3.4H2O、KBH4、As2O3和三乙醇胺为原料,采用溶剂热-退火法制备出了InAs纳米颗粒。用XRD、TEM和拉曼光谱仪对产物的微观结构进行表征。研究了反应物的配比和退火温度对产物的物相和形貌的影响,得到制备InAs纳米颗粒的最佳工艺参数为:反应物As2O3、InCl3.4H2O的物质的量配比为1:1,反应与退火温度分别为160℃和500℃。并对产物的形成过程进行了初步探讨。

高效P3HT:PC_(71)BM聚合物太阳能电池的研制

以P3HT为电子给体,PC_(71)BM为电子受体,制备聚合物太阳能电池.通过溶剂退火工艺,器件的能量转换效率从0.71%提高到3.33%,然后经过热退火工艺处理活性层,器件的性能得到进一步提高,其中能量转换效率达到4.46%、短路电流为10.71 m A/cm^2、开路电压达到0.59 V、填充因子为70.6%,其结果可能是溶剂退火和热退火提高P3HT的结晶性造成的.