具有精确结构的苯并三氮唑类聚合物受体在全聚合物太阳电池中的应用

以苯并三氮唑(BTz)为稠合中心核单元,通过调控聚合位点设计合成了两个结构精确的聚合物受体PT1-γ和PT1-δ,并研究了聚合位点对聚合物受体的光学性能、电化学性能、载流子迁移率以及全聚合物太阳电池(all-PSCs)性能的影响.研究发现,与PT1-δ相比,PT1-γ具有更窄的光学带隙和更高的电子迁移率.选用PBDB-T作为给体,基于PBDB-T∶PT1-γ的全聚合物太阳电池获得了11.92%的能量转换效率(PCE),高于PBDB-T∶PT1-δ体系的9.68%;另外,其开路电压(VOC)为0.89 V,短路电流密度(JSC)为21.25 mA/cm2,填充因子(FF)为0.63.研究结果表明,聚合位点对基于苯并三氮唑的聚合物受体的光电性能具有显著影响,因而调控单体的聚合位点是开发高性能聚合物受体的有效设计策略.

真空退火处理对光敏薄膜及聚合物太阳电池性能的影响

采用掺锡氧化铟玻璃作为衬底,制备了聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1-4-苯撑乙烯]光敏薄膜及其器件,研究了退火处理对薄膜形貌和光电性能的影响.透射光谱和AFM研究表明,退火处理改善了薄膜的表面形貌、降低了薄膜的光学能隙.另外,通过分析器件伏安特性发现,退火处理有助于提高薄膜的电导率和载流子迁移率.这些实验结果对于提高聚合物太阳电池的能量转换效率、改善器件的光伏性能具有非常重要的意义.

量子点的合成、表面修饰及在聚合物太阳电池中的应用

量子点因具有特殊的量子尺寸效应而得到广泛应用,尤其是在聚合物太阳电池中的应用具有独特的优势。列举了量子点常见的合成方法,如有机相合成法、水相合成法、水热法和溶剂热法、微波辅助水热法、微乳液法等;介绍了常见的量子点表面修饰方法,如偶联剂法、配位基交换法及化学反应法等;最后,介绍了表面修饰后的量子点在聚合物太阳电池中的应用,并针对器件效率较低这一问题讨论了提高聚合物/量子点太阳电池效率的方法。

PEDOT∶PSS掺杂对聚合物太阳电池性能的影响

分别用不同体积分数的二甲基亚砜(DMSO)和丙三醇溶液作为掺杂剂优化PEDOT∶PSS薄膜,并对DMSO和丙三醇掺杂PEDOT∶PSS薄膜的影响进行了研究。此外,还对优化处理过的薄膜分别作为阳极修饰层的聚合物太阳电池进行对比。结果表明,掺杂过的PEDOT∶PSS薄膜的电导率得到了很大提高。PEDOT∶PSS薄膜的光学性质和表面粗糙度变化等表明DMSO掺杂的PEDOT∶PSS薄膜电导率的提高是因为PEDOT∶PSS相分离变小,使得两相区势垒降低;而丙三醇掺杂的PEDOT∶PSS薄膜电导率的提高是因为PEDOT∶PSS链结构的变化。器件的能量转换效率都是在掺杂3%DMSO和3%丙三醇时获得,分别为3.79%和2.70%,比未掺杂的电池分别提高了5.65倍和4.02倍。

阳极光电性能对聚合物太阳电池性能的影响

为验证ITO的光电性能,以不同类型ITO作为光电阳极,采用旋涂与真空蒸镀的方法制备本体异质结聚合物太阳电池ITO/PEDOT∶PSS/P3HT∶PCBM/Al,研究了ITO表面形貌及光场分布对太阳电池光电性能的影响。结果表明,合适的ITO厚度及表面形貌能够在有效收集空穴的同时,提高光子透过率,保证有源层对光子的吸收。合适的ITO阳极厚度及表面形貌能够有效提高聚合物太阳电池的光伏性能,使得聚合物电池的效率从0.07%提升至1.30%。

PTB7∶PC_(61)BM聚合物太阳电池的制备与研究

在各种有机聚合物太阳电池活性层材料中,聚苯并二噻吩(PTB7)与富勒烯衍生物(PCBM)的共混材料所制作的电池取得现有单层体相异质结太阳电池领域中最好的光电转换效率。本实验在空气环境中制作结构为ITO/PFN/PTB7∶PC61BM/Mo O3/Al的反型有机聚合物太阳电池,对制作过程中溶液处理、薄膜干燥方式和活性层厚度控制等步骤进行不同条件的对比;并运用紫外可见吸收光谱和J-V曲线测试等方法研究具体制作步骤对太阳电池性能的影响;最后通过测试电池放置不同时间的J-V特性曲线,证明该反型电池在空气中具有良好的稳定性。

基于P3HT∶PCBM聚合物太阳电池阳极减反膜的设计与制备

以薄膜光学的相关理论、太阳辐射的能量分布与P3HT的吸收光谱为理论基础,设计出在400～1100 nm范围的超宽带减反膜系,并利用真空电子束蒸发的方法在玻璃基底上蒸镀减反膜,将玻璃基底在400～1100 nm波段的透过率提高了3%～5%,光子通量增加了3%。接着,将减反膜应用到以P3HT和PCBM为本体异质结的聚合物太阳电池的阳极上,得到了具有阳极减反膜的聚合物太阳电池。经过对比测试分析,具有阳极减反膜的太阳电池效率比普通电池提高了3.23%,与光子通量提高值较为符合,这一结论为聚合物太阳电池效率的进一步提高提供了一个可行的方法。

共轭聚合物受体光伏材料和全聚合物太阳电池

全聚合物太阳电池(all-PSCs)由p-型共轭聚合物给体和n-型共轭聚合物受体共混活性层夹在ITO透明电极和金属顶电极之间所构成,除具有一般有机太阳电池器件结构简单、质量轻、可以制备成柔性和半透明器件等优点外,还具有形貌和光照稳定性好及抗弯折性能高等突出特点,最近成为有机太阳电池领域的研究热点。给体和受体光伏材料的吸收互补和能级匹配是获得高效all-PSC的关键。本文将介绍n-型共轭聚合物受体光伏材料的发展历史,重点介绍最近发展的窄带隙小分子受体高分子化的聚合物受体光伏材料,基于这类聚合物受体光伏材料的全聚合物太阳电池的能量转换效率已经超过了15%。最后对共轭聚合物受体光伏材料和全聚合物太阳电池下一步的研究方向和研究重点进行了展望。

基于一种简单的光退火方法的高效倒置型聚合物太阳电池

介绍了一种简单的光退火提高倒置型聚合物太阳电池效率的方法。通过采用易于溶液加工的Cs2CO3作为电子传输层,在光退火15 min之后,器件的光电转换效率达到了8.35%,其中短路电流密度为15.8 mA/cm2,开路电压为0.76 V,填充因子为69.5%。该填充因子是目前基于PTB7聚合物太阳电池的最高填充因子。X射线光电子能谱结果显示,Cs2CO3在光退火的过程中转变为了Cs2O与CO2。为了验证该机制,采用不同辐照时间的Cs2CO3作为电子传输层,所得到的光伏器件的效率几乎与光退火时相同。此外,通过真空热蒸发Cs2CO3作为电子传输层,也几乎得到了和光退火条件下同样的光电转换效率。上述结论证明光退火是一种非常有效的、简单的提高聚合太阳电池效率的方法。

超声退火形成片状PCBM堆积聚合物太阳电池研究

采用超声退火方法制备了P3HT/PCBM聚合物有机太阳电池。测试结果表明:超声退火40℃制备的电池能量转换效率最好,最优器件的能量转换效率达到了5.16%,这主要归因为超声退火40℃的电池薄膜内形成了片状PCBM堆积,有效地提高了器件的电子迁移率和太阳能吸收效率。

八羟基喹啉铝取代钙作为电子传输层对聚合物太阳电池光稳定性的影响

通过选择高效窄带隙聚合物给体材料PTB7与电子受体材料PC71BM作为聚合物太阳电池的活性层,采用Glass/ITO/poly(ethylenedioxythiophene)∶polystyrene sulphonate(PEDOT∶PSS)/PTB7∶PC71BM/electron extraction layer(EEL)/Al的器件结构研究了不同EEL对器件性能及光稳定性的影响。通过采用小分子有机材料Alq3与低功函数碱金属Ca作为EEL,发现由于Ca的活泼金属特性及不稳定性,以Ca作为EEL的聚合物太阳电池的初始效率在3d之后就下降了60%;而以Alq3作为EEL的器件在空气中放置一个月之后其初始效率仅下降30%。此外,以Alq3作为EEL的器件光伏效率完全比得上传统器件中以Ca作为EEL的光伏器件。研究结果表明,Alq3是一种潜在的长寿命聚合物太阳电池的EEL材料。

不同旋涂速率对聚合物太阳电池性能的影响

以聚3己基噻吩(P3HT)和[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester(PCBM)为活性层材料制成聚合物太阳电池,通过控制活性层旋涂速率控制活性层厚度。从不同活性层厚度器件的吸收光谱、原子力及器件各项性能参数详细分析了不同活性层旋涂速率对太阳电池性能的影响。结果表明:旋涂速率为1 000 r/min时,电池具有最佳性能,光电转换效率最高为1.54%。

聚合物太阳电池研究进展

聚合物太阳电池作为第三代新型太阳电池的主要研究方向,具有重量轻、成本低、制作工艺简单、可制成柔性器件等优点。目前聚合物太阳电池的材料开发与器件制备已成为有机半导体领域的研究重点。本研究在简要介绍聚合物太阳电池研究背景、工作原理与性能参数的基础上,从给体、受体材料合成,器件结构优化,活性层形貌控制与金属纳米颗粒增强等方面,概述了近年来聚合物太阳电池的研究进展,指出了聚合物太阳电池目前存在的问题。并分析了印刷电子工艺在聚合物太阳电池规模化生产中的作用,最后展望了聚合物太阳电池未来的研究方向及应用前景。

用于聚合物太阳电池的低成本高效聚合物给体光伏材料

聚合物太阳电池由p-型共轭聚合物给体和富勒烯衍生物或非富勒烯n-型有机半导体受体的共混活性层夹在透明导电电极和金属电极之间所组成,具有可溶液加工、质量轻、以及可制备成柔性和半透明器件等突出优点,近年来成为能源领域研究的热点1。聚合物太阳电池的商业应用需要实现器件的高效率、高稳定性以及低成本,这主要依赖于光伏材料的发展。聚合物太阳电池研究的早期阶段,器件效率很低,研究的关注点主要是提高效率,通过设计和合成窄带系、宽吸收和具有较低最高占有分子轨道(HOMO)能级的聚合物给体光伏材料,以及具有较高最低空分子轨道(LUMO)能级的富勒烯衍生物受体光伏材料,来提高器件的短路电流、开路电压和能量转换效率。

基于喷涂工艺的反向聚合物太阳电池的制备

本文采用喷涂工艺制备了结构为Glass or PET/ITO/ZnO/P3HT:PCBM/VOX/Ag的刚性或柔性反向聚合物太阳电池,其效率可与正向电池相媲美。首先将TIPD喷涂在ITO基底上作为电子传输层,然后依次喷涂P3HT:PCBM溶液和氧化钒前驱体溶液(VO)X,最后蒸镀150 nm的银作为阳极。结果表明:在一定厚度范围内,器件效率对厚度不敏感,易于大面积工艺制备;VOX层可以显著提高器件效率,然而过厚将会导致器件短路电流急剧下降。通过优化喷涂参数和热退火处理,获得了1.7%的器件效率。

增强聚合物太阳电池光吸收的等离激元效应

聚合物太阳电池中激子扩散长度与活性层光学厚度之间的矛盾是制约其光电转换效率提高的主要原因。能否解决载流子收集与光吸收之间的矛盾,是提高聚合物太阳电池能量转化效率的关键。利用金属纳米结构表面等离激元对光子的调制和近场增强效应可在不增加光活性层厚度的条件下提高光吸收能力,进而提高电池的光电转换效率。

苝二酰亚胺:有机膦盐基双组份共混电子传输层及其开路电压接近1.0 V的非富勒烯聚合物太阳电池（英文）

有机太阳电池的电子传输层(cathode interlayer,CIF)要求具备多种性质以利于实现高性能的电子传输与收集,这些性质包括可以与活性层形成优异的欧姆接触、高电子传输能力、低密度缺陷、高空穴阻挡能力等,而使用合适的双组份共混电子传输层可能更好地实现这些功能。本文中,我们选取苝二酰亚胺和四苯基溴化膦(PDINO:TPhPBr)来制备双组份共混的小分子CIF,并选取PBDB-T:IDTBR制备活性层。受体IDTBR的高分子空轨道(LIMO)能级、给体PBDB-T的低最高占据轨道(HOMO)能级以及小的给受体间的HOMO-HOMO能级差有利于得到高的开路电压(Voc),更主要的是,与单组份CIF相比,PDINO:TPhPBr所具有的更优异的性能使得所制备的非富勒烯聚合物太阳能电池具有更高的Voc、短路电流(Jsc)和填充因子(FF)。最终,得到了8.27%的光电转换效率和1.0 V的Voc。这些结果说明了苝二酰亚胺和膦盐基双组份共混小分子CIF在提升电池性能方面所具备的巨大潜能。

金属表面等离激元增强聚合物太阳电池

研究了Au纳米颗粒表面等离激元增强聚噻吩(P3HT)与富勒烯衍生物(PCBM)共混体系聚合物太阳电池的光电转换效率。Au纳米颗粒表面由双十烷基二甲基溴化铵(DDAB)修饰,能够均匀分散在活性层中。研究了Au纳米颗粒的质量分数对电池性能的影响,发现质量分数为1.2%时,电池性能最佳,转换效率高达3.76%,较未掺杂的参比电池相对提高约20%。掺入Au纳米颗粒后P3HT和PCBM共混膜光吸收显著增强,从而使电池外量子效率大大增加。电池效率的提升主要归结于Au纳米颗粒表面等离激元激发所引起的近场增强。

载流子复合及能量无序对聚合物太阳电池开路电压的影响

聚合物太阳电池中载流子的复合与能量无序对器件的开路电压有着深刻的影响.本文同时研究了基于传统富勒烯(PC71BM)和非富勒烯(O-IDTBR)电子受体的聚合物太阳电池.通过交流阻抗谱、低温电流密度-电压谱、瞬态光电压以及电致发光光谱等手段重点研究了载流子复合及能量无序对电池器件开路电压的影响.具体地,交流阻抗谱和瞬态光电压测试结果表明,富勒烯体系载流子复合损失较为严重.电致发光光谱研究显示,PC71BM器件的发光峰随着注入电流的增加不断向短波长处移动,而O-IDTBR体系发光峰位置基本不变,该结果证明PC71BM体系中能量无序度更高.载流子复合严重及能量无序度更高共同作用导致了富勒烯器件开路电压的降低.

以ICBA为受体的3种聚合物太阳电池的对比研究

分别以聚3-己氧基噻吩(P3HT)、聚[2,6-(4,4-双-(2-乙基己基)-4H-环戊[2,1-b;3,4-bc]双噻吩)-交替-4,7-(2,1,3-苯并噻二唑)](PCPDTBT)、聚噻吩-吡咯并吡咯二酮(PDPP3T)为给体,以富勒烯衍生物(ICBA)为受体,制备了3种结构的聚合物太阳电池器件作对比研究。研究发现,3组器件的光电特性有明显差距,而这种差距受激子产生效率和载流子迁移率的影响并不显著,3组薄膜的光致发光研究表明激子分离效率的差异是导致3种结构的太阳电池之间性能差距较大的主要原因。