逐层沉积型有机太阳能电池的研究进展

近30年来,基于给/受体材料的本体异质结被认为是有机光伏器件最理想的器件结构.优化有源层中给/受体互穿网络结构,提高激子解离和载流子传输效率是提高本体异质结有机光伏器件性能的有效途径.近年来,给/受体逐层沉积的分层异质结有机光伏器件得到了快速发展,其光电转化效率可与本体异质结有机光伏器件的效率相媲美,这说明有机光伏器件领域诸多科学问题还有待深入研究.本文从工作机理、优化策略以及大面积制作潜力等方面,综合评述分层异质结有机光伏器件的代表性成果,重点阐述掺入添加剂、热处理及多元策略等在提高器件性能方面发挥的关键作用,讨论分层异质结有机光伏器件的现存问题,并展望了其发展趋势.

基于受体_(1)-受体_(2)型聚合物给体的高效有机太阳能电池

设计合成了2种宽带隙聚合物给体,分别命名为PDTz-BDD和PDTz-BDT.其中, PDTz-BDT是一种典型的给-受体(D-A)型共轭聚合物, PDTz-BDD是具有受体_(1)-受体_(2)(A_(1)-A_(2))型结构的共轭聚合物.采用BTP-e C9作为受体,分别与PDTz-BDD和PDTz-BDT共混构建有机太阳能电池,系统研究了两种给体的光伏性能.研究结果表明,具有A_(1)-A_(2)型结构的PDTz-BDD表现出更强的光吸收能力、更明显的溶液聚集效应与更优良的器件形貌,相应的光伏电池可以实现更高的光电转换效率(10.36%).本文不仅设计合成了2种新型给体,而且为构建A_(1)-A_(2)型共聚物以开发高效聚合物给体提供了参考.

以锗为桥接原子的受体材料及其在有机太阳能电池中的应用

有机光伏材料由具有光敏特性的共轭骨架和增溶的烷基侧链组成,而连接两个部分的桥原子对分子的空间构型与材料的光电性质具有重要影响.本文发展了以锗原子为桥接原子的受体材料,并研究了其构效关系.相比于传统的C—C键,更长的C—Ge键改变了烷基侧链与共轭骨架之间的距离,并且影响了共轭骨架的平面性.引入含氟末端基团,通过氟原子诱导的非共价键相互作用对分子构型和固态堆积模式进一步调控.由此设计合成的GD4F-C8材料具有较宽的吸收光谱及合适的能级,并且在薄膜中与聚合物给体PM6的相容性较强,改善了活性层的形貌,基于PM6∶GD4F-C8的有机太阳能电池取得了8.74%的光电转换效率,证明了含锗类材料在有机太阳能电池中的潜力,并为高性能受体材料的开发提供了新思路.

PIN型有机太阳能电池的研究

利用PEDOT:PSS作阳极修饰材料,并提高沉积温度,在ITO玻璃基板上制备PIN结型有机太阳能电池,利用太阳能电池外量子效率测试系统测试上述获得的有机太阳能电池光谱响应特性,分析薄膜结晶性对器件性能的影响。实验结果表明插入修饰材料和提高基底温度均可提高PIN结型有机太阳能电池的性能,这是因为薄膜结晶性在这些方法下得到提高,促进了空穴的传输。此外结晶性的提高有利于光谱吸收的红移,为高光电转化效率的太阳能器件制备提供了指导。

基于苝核心的A-D-A型有机太阳能电池受体分子的理论研究

设计合成新颖高效的有机太阳能电池受体材料是有机太阳能电池的重要研究领域.受体材料在有机太阳能电池器件中是接收电子的部分,因此该类分子必须具备以下特点:较强的电子吸收能力,高的电子亲和能,良好的光稳定性,与给体材料相匹配的HOMO和LUMO能级以确保电子较好地转移,高的电子传输速率.该文设计了以苝为核心作为给体单元,以2-(3-氰基亚甲基)靛酮(INCN)基团为受体单元的A-D-A型非富勒烯有机太阳能小分子受体材料,用量子化学理论、密度泛函理论(Density functional theory,DFT)和含时密度泛函理论(Time-dependent density functional theory,TD-DFT),研究了该分子的光学、电荷转移速率等性质.计算结果表明,A1受体分子由于具有更对称和更长的共轭结构,因此具有更好的光物理性质和更快的电子迁移率.该文为实验筛选新的受体材料提供了新的理论依据.

退火处理对P3HT与PCBM共混体系的有机太阳能电池的影响

有机太阳能电池是新型太阳能电池的研究热点之一。从紫外-可见光谱、X射线衍射及太阳电池光电性能方面,分析了退火处理对具有聚三己基噻吩(P3HT)与6,6-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)共混层的太阳能电池性能的影响。紫外可见光谱表明,退火处理使P3HT与PCBM共混体系所成膜的吸收峰增强并红移,有利于增加器件对太阳光的吸收范围。X射线衍射图表明退火处理使P3HT结晶性增强,有利于提高空穴的传输能力。活性层吸收光强度的增加及电荷传输能力的增大是退火器件性能提高的根本原因。退火处理使得太阳能电池器件光电转换效率提高2倍。其退火处理的太阳能电池在100mW.cm-2强度光照下,开路电压为0.62 V,短路电流密度为5.85 mA.cm-2,填充因子为61.3%,能量转换效率为2.29%。

用平衡相容性和相分离的新策略提高有机太阳电池效率

选择了两种具有不同末端基的非富勒烯受体分子3,9-双-[2-甲烯基-(3-1,1-甲烯丙二腈茚酮)-5,5,11,11-四-(4-己基苯基)]-噻吩[3,2-b]并噻吩引达省二噻吩(ITIC)和3,9-双-[2-甲烯基-(3-1,1-甲烯丙二腈-6,7-一氟茚酮)-5,5,11,11-四-(4-己基苯基)]-噻吩[3,2-b]并噻吩引达省二噻吩(IT-2F)作为第三组分,通过一步沉积(O-SD)和分步顺序沉积(T-SD)两种活性层构筑工艺,分别制备了常规的本体异质结(BHJ)和优化的准平面异质结(PPHJ)三元器件.研究发现,本体异质结薄膜中第三组分相容性的差异可以用来调控薄膜相分离形貌;其中,基于IT-2F的三元薄膜活性层相分离明显增大,器件效率由二元器件的12.02%下降至9.25%;而ITIC的三元薄膜相分离形貌无明显改变,器件效率略有提升.值得注意的是,通过T-SD方法均可以获得垂直梯度分布的异质结活性层薄膜,避免了相容性差异对薄膜形貌的影响,相应的准平面异质结器件获得了超过了13%的光电效率.本文工作表明,利用相容性差异以及顺序沉积工艺来调控活性层的相分离形貌是制备高性能有机太阳电池有效策略.

AlGaN双势垒结构对高In组分InGaN/GaN MQWs太阳能电池材料晶体质量和发光性能的影响

本文利用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)技术在(001)面图形化蓝宝石衬底(PSS)上生长了一种含有AlGaN-InGaN/GaN MQWs(multiple quantum wells)-AlGaN双势垒结构的高In组分太阳能电池外延材料。高分辨率X射线衍射(HRXRD)和光致发光(PL)谱分析表明,与含有AlGaN电子阻挡层的低In组分的量子阱结构太阳能电池外延材料相比,该结构材料具有较小的半峰全宽(FWHM),计算表明:此结构材料的位错密度降低了一个数量级,达到10^(7)cm^(-2);同时,有源区中的应变弛豫降低了51%;此外,此结构材料的发光强度增强了35%。研究结果表明含有AlGaN双势垒结构的外延材料可以减小有源区的位错密度,降低非辐射复合中心的数目,增大有源区有效光生载流子的数目,为制备高质量太阳能电池提供实验依据。

基于吡嗪空穴传输层的合成及在p-i-n型钙钛矿太阳能电池中的应用

钙钛矿太阳能电池由于具有高的光电转换效率,简单的溶液加工工艺,较低的成本等优势因而拥有广阔的应用前景。有机小分子空穴传输层材料在钙钛矿太阳能电池中扮演着极其重要的角色。在本工作中,我们设计和合成了基于吡嗪为分子中心核,三苯胺为分枝的X型空穴传输层材料PT-TPA。与Si-OMeTPA对比,吡嗪的引入不仅不会影响其结晶性,并且能够改善其电荷转移特性和分子中心共平面性,从而显著提升了PT-TPA的空穴迁移率。在非掺杂的情况之下,基于PT-TPA空穴传输层的p-i-n型钙钛矿太阳能电池展现出17.52%的光电转换效率,与相同条件下基于Si-OMeTPA空穴传输层的器件相比,效率提高了近15%。

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.

由电泳沉积ZIF-67薄膜制备高效染料敏化太阳能电池对电极

为了提高碳化ZIF-67薄膜制备的染料敏化太阳能对电极的光电性能,本研究通过碳化电泳沉积ZIF-67薄膜得到多孔碳电极,并进一步在多孔碳电极热分解氯铂酸得到负载铂的多孔碳复合电极。通过光电流-电压曲线、电化学阻抗谱和强度调制光电流谱等的测试,对比单独在FTO导电玻璃基底热分解氯铂酸得到的铂电极和单独碳化电泳沉积ZIF-67薄膜得到的多孔碳电极,研究了负载铂的多孔碳复合电极作为染料敏化太阳能电池对电极的光电性能。与其它两种对电极相比,以负载铂的多孔碳复合电极为对电极的染料敏化太阳能电池光电转换效率最高,因碳化ZIF-67薄膜的多孔电极具有较大的比表面积,能负载足够量的铂,从而提供更多的催化位点,具有更好的催化性能,从而使染料敏化太阳能电池的光电转换效率得到显著提升。

新型有机化合物太阳能光伏器件最新研究进展

主要通过对聚合物/富勒烯太阳能电池的内部机理进行研究,从器件结构优化、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,讨论了其可以实现的各种器件的结构和能量转换效率.

钙钛矿型薄膜太阳能电池研究获得进展

中国科学院物理研究所／北京凝聚态物理国家实验室（筹）清洁能源重点实验室研究员孟庆波研究组在改进薄膜沉积工艺的基础上，通过界面调控和薄膜沉积优化，在无空穴传输材料的钙钛矿型甲胺铅碘薄膜太阳能电池方面研究取得了重要进展，电池效率率先突破10％，电池开路电压超过900mV。

激光沉积特殊涂层改善太阳能电池性能

西北大学的一个研究小组开发了一种新型氧化镀层，能够大幅提高太阳能转化效率。美国《国家科学院学报》在网上发表了一篇关于这一研究的报告，该报告主要是关于异质结有机太阳能电池中电极的有机工程。

柔性色素增感型太阳能电池

日本TDK公司推出采用有机色素及氧化锌（ZnO）的柔性色素增感型太阳能电池。

外阻对天然水体中沉积型微生物燃料电池(SMFC)运行特性的影响

在校园浅水湖中以10、100、500、1000Ω外阻运行沉积型微生物燃料电池(Sediment microbial fuel cell,SMFC)180 d,考察了外阻对天然水体中SMFC产电性能和有机质去除率的影响.实验结果表明,运行180 d内,外阻为100Ω的SMFC体系(SMFC-100)的平均输出功率密度和有机质去除率最高,分别为3.40 mW·m-2和38%.短期运行(30 d)后,体系的内阻随着外阻增大而逐渐增大,分别为98.7、120.2、124.2、149.7Ω,但是SMFC-100体系的最大功率密度(Pmax)最高,为6.12 mW·m-2.长期运行(150 d)后,4个体系的内阻和Pmax均进一步增大,然而各体系的Pmax相差不大.

聚苯胺修饰阴极对沉积型微生物燃料电池产电性能的影响

考察了聚苯胺(PANI)修饰阴极对沉积型微生物燃料电池(SMFC)产电性能和有机质去除率的影响。衰减全反射红外光谱(ATR)表征证明修饰电极表面PANI为导电的质子掺杂状态。电化学阻抗谱(EIS)测试揭示,PANI修饰电极的欧姆内阻(R ohm)和电荷转移内阻(R ct)明显低于空白电极,且随着PANI负载量的增大逐渐减小。以PANI修饰阴极序批式运行沉积型微生物燃料电池(SMFC),可以显著提高SMFC的产电性能以及沉积物中有机质去除率。与空白阴极SMFC体系相比,PANI-110修饰阴极SMFC的最大功率密度增大了64倍,表观内阻减小了12倍,SCOD去除率由12.4%增大到40.3%。

染料敏化太阳能电池中二聚噻吩类光敏染料构效关系的理论研究

D-π-A型有机光敏染料结构上的微小差异会引起器件性能的显著不同.为了合理解释染料分子1和2(给体分别为咔唑和二氢吲哚)结构与性能之间的关系,采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)讨论了包括紫外-可见吸收光谱、光捕获效率、电子注入驱动力、垂直方向偶极矩和电子转移数目在内的一系列影响染料性能的理论参数.结果表明,在光捕获效率和电子注入效率差别不大的情况下,染料分子2较低的染料再生效率可导致其短路电流较小;同时,在由光诱导产生的从染料分子转移到半导体的电子数目以及电子复合程度相差不大的情况下,染料分子1垂直方向上较大的偶极矩则可导致其具有较高的开路电压.计算结果与实验值相吻合,有望对今后设计合成高效光敏染料提供一定的理论指导.

钝化剂乙酰水杨酸对钙钛矿太阳能电池性能影响的研究

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池因其优异的光电性能和低廉的制备成本,成为目前光伏领域内的研究热点。然而,钙钛矿薄膜表面和晶界处存在大量缺陷,这易于导致载流子非辐射复合,并进而影响太阳能电池的光电转换效率。本工作通过在两步法制备钙钛矿的铅盐前驱液中引入钝化剂乙酰水杨酸(acetylsalicylic acid,ASA),利用吸收/光致发光光谱、扫描电镜和电学测试等技术手段研究了ASA分子对钙钛矿薄膜质量与器件性能的影响。结果表明:适量的ASA分子可以通过路易斯酸碱相互作用增大钙钛矿晶粒尺寸,并有效降低钙钛矿薄膜的缺陷密度;当ASA的浓度为2.5 mmol/L时,所制得的钙钛矿电池取得了19.83%的最高光电转换效率,明显高于对照器件的转换效率(17.47%)。本工作首次报道了ASA对钙钛矿薄膜缺陷的良好钝化效果,并为提高钙钛矿太阳能电池性能提供了一种简单有效的制备方法。

基于逐层气相沉积制备的钙钛矿薄膜调控和器件性能优化

真空气相沉积法具有致密性好、均匀性好、膜厚可控等优点,被认为是一种制备大面积、高质量钙钛矿薄膜的关键技术,在工业化生产上有着巨大的应用潜力。但相较于溶液法,气相沉积存在薄膜晶粒尺寸小,结晶度低等缺点,导致器件光电转换效率较低。采用逐层交替气相沉积法制备钙钛矿薄膜,对碘化铅(PbI_(2))含量进行调控,使用氯化甲胺和碘化甲铵混合溶液进行表面后处理,钝化了薄膜缺陷,提升了薄膜质量。PbI_(2)含量的优化调控了钙钛矿薄膜的化学计量比,器件光电性能得到提高。表面后处理引入的氯离子,使钙钛矿晶粒尺寸增大,结晶度提高。器件的短路电流密度明显提升,最终获得17.76%的光电转换效率以及82.1%的填充因子。