溶剂退火和热退火双重优化对P3HT:PCBM活性层形貌和性能的影响

采用旋涂法制备了聚3-已基噻吩(P3HT)和富勒烯衍生物【6.6】-苯基-C61-丁酸甲酯(PC61BM)的共混薄膜,通过调控制备过程中活性层的旋涂时间及热退火温度,研究了溶剂退火结合热退火的双重优化对活性层形貌和性能的影响.利用紫外-可见光(UV-ViS)吸收光谱、原子力显微镜(AFM轻敲模式)和X射线衍射光谱(XRD)等测试手段,分别对P3HT︰PCBM活性层的形貌和性能进行了表征,结果表明,该制备方法可以有效地改善P3HT:PCBM活性层的形貌和性能.     

器件结构对聚合物太阳能电池内部光电强分布的影响

针对以电子给体聚(3-己基噻吩)(P3HT)和电子受体6,6-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)共混薄膜为活性层的本体异质结聚合物太阳能电池,根据光学干涉效应和转移矩阵方法建立了非相干光吸收理论模型,研究了电极修饰层、活性层和阴极的厚度对电池内部光电场分布和活性层内部光电场强度的影响.结果表明:各功能层厚度对电池内部光电场分布和活性层光电场强度具有不同程度的影响,其中活性层和电极修饰层厚度的影响较大,而阴极厚度的影响较小;引入合适厚度的电极修饰层有利于增加活性层内部的光电场强度,提高太阳能电池的能量转换效率,改善器件的光伏性能.     

基于苯并三噻吩共聚物/富勒烯衍生物的聚合物太阳能电池

以苯并三噻吩共聚物(BTT-BTz)为给体材料,具有不同能级结构的富勒烯衍生物为受体材料,通过共混方式制备光敏薄膜,并研究受体材料的能级结构对光伏器件开路电压(Voc)、短路电流(Jsc)、填充因子(FF)和电池效率(PCE)的影响.结果表明:当IC60BA为电子受体材料时,器件的Voc=1.06V,但Jsc较低,使得PCE仅为1.49%;当PC60BM和PC70BM为受体材料时,Voc分别为0.86V和0.81V,但Jsc较高,使得PCE分别为3.22%和5.06%.     

绕丹宁修饰富勒烯作为新型聚合物太阳能电池受体光伏材料增强光吸收(英文)

首次将染料分子3-乙基绕丹宁连接到[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)上,合成了具有增强光吸收性能的新型富勒烯受体光伏材料PCBRh.通过1 H NMR,13 C NMR和质谱分析确定了PCBRh的结构,紫外-可见吸收光谱测试表明所合成的PCBRh在300~600nm比起PCBM具有更强的光吸收,这归因于3-乙基绕丹宁高的吸光系数.电化学测试表明PCBRh的最低未占轨道(LUMO)能级比PCBM高0.1eV,这是由绕丹宁基团的给电子作用引起的.将PCBRh作为受体光伏材料与聚己基噻吩(P3HT)共混构建出体相异质结太阳能电池,在优化的制备工艺(P3HT/PCBRh=1:1(质量比),135℃热处理10min)下,电池器件的能量转换效率为1.46%.通过AFM表征研究退火处理对光活性层的形貌的影响及其与电池器件效率的联系:与参比P3HT:PCBM共混薄膜相比,退火处理使P3HT:PCBRh薄膜中的P3HT聚集成长度约为20nm的长条,并且粗糙度较大,因此不利于激子的扩散与分离.     

N-苯基富勒烯吡咯烷的合成及其光伏性能

采用Prato反应合成了一系列N-苯基取代的富勒烯吡咯烷衍生物并将其作为电子受体材料应用于聚合物太阳能电池.实验结果表明,N-苯基-2-(3-甲氧基苯基)[60]富勒烯吡咯烷(FP2)和N-苯基-2-(4-甲氧基苯基)[60]富勒烯吡咯烷(FP3)可以通过一锅法合成,其合成过程简单,成本较低且产率较高.以聚(3-己基噻吩)(P3HT)为给体,FP2和FP3为受体的聚合物太阳能电池的能量转换效率分别为3.27%和3.30%.该效率接近在相同实验条件下的P3HT∶[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PC_(61)BM)器件以及文献报道的P3HT∶PC61BM器件的效率.     

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.     

给体-受体型聚合物光伏电池材料的设计合成及器件

给体-受体型聚合物是目前研究最广且性能最优的太阳能电池材料。本文以笔者课题组的研究成果为基础,结合国内外最新研究结果,综述了给体-受体型聚合物光伏电池材料及其电池器件加工工艺与技术的最新研究进展。本文介绍的聚合物材料主要包括卟啉类、萘并二噻吩类、苯并噻(噁)二唑类、二茚并二噻吩类等,电池器件加工技术方面则包括溶剂添加剂和界面修饰层的应用及其对光伏电池性能的影响等。     

退火对薄膜P3HT-PCBM太阳能电池的光电性能影响

以吩聚噻(P3HT)/C60的衍生物(PCBM)为活性层的太阳能电池为研究对象,研究薄膜退火对电池光电性能的影响.结果表明,退火能够提高材料的结晶度,增加光的透射率,降低反射率.在140℃温度下退火,该器件光电转化效率最大.     

有机光伏材料与器件

正有机光伏器件是由共轭聚合物(或p-型共轭有机小分子)给体和富勒烯(或非富勒烯n-型有机半导体)受体的共混膜夹在透明导电电极和金属电极之间所组成,具有器件结构简单、制作成本低、重量轻和可制备成柔性器件等突出优点,近年来受到广泛关注,相关材料和器件的研究获得了快速发展。有机光伏器件研究的核心是提高光电能量转换效率(PCE),而提高效率的关键是拥有高效给体和受体光伏材料、高性能界面修饰层材料和新型器件结构。     

双重优化对基于P3HT:PCBM有机太阳能电池效率的提高

有效提高太阳能电池对光的吸收效率是提高太阳能电池能量转换效率的重要因素.在以poly(3-hexylthiophene)(P3HT)为电子给体材料,[6,6]-phenyl C60-butyric acid methyl eater(PCBM)为电子受体材料的有机太阳能电池中,Poly-(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)(PEDOT:PSS)与活性层之间插入不同厚度的P3HT层,并在P3HT层最佳厚度的基础上,进一步在活性层中掺杂不同比例的Ag纳米粒子,双重优化了电池器件.当插入45 nm的P3HT层及掺杂质量比为5%的Ag纳米粒子时活性层薄膜的形貌及内部结构得到了改善,电池对光的吸收,及外量子效率得到了显著地提高,并出现红移现象.在25°C,光强为100 mW/cm2的条件下测量其短路电流密度JSC为11.21 mA/cm2,能量转化效率PCE为3.79%.     

光交联型窄带隙共聚物的合成及其对本体异质结聚合物太阳电池稳定性的影响

本体异质结聚合物太阳电池的活性层通常是由聚合物给体和富勒烯受体通过机械混合而成,活性层的聚合物和富勒烯分子从热力学角度倾向于各自聚集,由此形成的纳米微相分离结构是热不稳定的,造成电池稳定性较差。为了提高活性层薄膜形貌稳定性,本文设计并合成出新型的溴基团取代的光交联型窄带隙聚合物PBDTTT-Br25和PBDTTT-Br50。经光引发交联后的聚合物薄膜表现出良好的抗溶剂性和形貌稳定性,且不影响聚合物分子排列及载流子传输性能。通过研究热退火对共混膜形貌的影响,发现使用光交联材料可以有效抑制富勒烯分子聚集,并提高聚合物太阳电池的热稳定性。基于PBDTTT-Br25和PBDTTT-Br50的器件光电转换效率分别为5.17%和4.48%,相比于基于聚合物PBDTTT的器件效率(4.26%),性能得到明显的提高。     

图案化聚合物电极及其在有机太阳能电池中应用

为了提高聚合物载流子迁移率,本文对图案化聚合物聚3,4-乙撑噻吩/聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT∶PSS)作为半导体聚合物的基底对载流子迁移率的影响进行研究.以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为模板,利用基于毛细力原理的软压印技术,使硬度系数很高的聚合物PEDOT∶PSS形成图案化结构.此压印方法可形成大面积高保真的图案,且适合工业化生产.阐述了图案化PEDOT∶PSS可增加与活性层的接触面积,从而缩短聚合物载流子的迁移路径,有效地提高了聚合物载流子的迁移率.同时图案化结构散射入射光进入活性层,促进活性层光的吸收,从而提高了光电流.最后,本文将图案化PEDOT∶PSS作为电极应用到有机太阳能电池聚3-已基噻吩与富勒烯衍生物(P3HT∶PCBM)共混体系中,对其研究发现图案化后的PEDOT∶PSS能有效地提高了太阳能电池P3HT∶PCBM共混体系的能量转换效率.     

苯并噻二唑为中心的A-π-A-π-A型小分子光伏材料合成与性能研究

以苯并噻二唑为中心给体,利用Suzuki偶联和Knoevengel缩合等经典有机反应将吸电子基团氟原子和氰基引入到分子末端,完成了两个未见报道的以苯并噻二唑为中心的A-π-A-π-A型小分子化合物2F-TT-BT和2CN-TT-BT的合成,其化学结构通过核磁和高分辨质谱予以证实.通过紫外-可见吸收光谱、电化学循环伏安法及密度泛函理论计算对其光物理和电化学性质进行了实验及理论的研究.研究表明,合成的小分子材料对太阳光的吸收可覆盖整个紫外-可见吸收范围,具有与PC61BM相匹配的HOMO和LUMO能级,满足了溶液过程有机太阳能电池制备的基本要求.初步探索了材料的光伏性能,以小分子2F-TT-BT为给体,制作了结构为ITO/PEDOT:PSS/2F-TT-BT:PC61BM(质量比1∶2)/Al的体异质结(BHJ)太阳能电池,能量转换效率为0.53%,实验结果表明此类小分子是潜在的有机太阳能电池材料.     

萘并[1,2-b:5,6-b']二呋喃衍生物的合成及其光伏应用

为了制备出高能量转换效率的聚合物给体光伏材料,本文采用Stille偶联反应合成了一种新型的萘并二呋喃(NDF)类电子给体材料NDF-2DPP,并将其应用到太阳能电池的研究中.光学性能表明NDF-2DPP的吸收范围在300～750 nm间,对应的光学带隙为1.65 eV.光伏器件结果显示,当NDF-2DPP︰PC61BM=1︰1,120oC下热退火15 min后,能量转换效率最优,达到4.8％,相应的短路电流=11 mA/cm2,开路电压为0.84 V,填充因子为52％.结果表明,NDF-2DPP作为电子给体材料在聚合物太阳能电池领域具有很好的发展潜力.     

光交联型窄带隙共聚物的合成及其对本体异质结聚合物太阳电池稳定性的影响简

本体异质结聚合物太阳电池的活性层通常是由聚合物给体和富勒烯受体通过机械混合而成,活性层的聚合物和富勒烯分子从热力学角度倾向于各自聚集,由此形成的纳米微相分离结构是热不稳定的,造成电池稳定性较差。为了提高活性层薄膜形貌稳定性,本文设计并合成出新型的溴基团取代的光交联型窄带隙聚合物PBDTTT-Br25和PBDTTT-Br50。经光引发交联后的聚合物薄膜表现出良好的抗溶剂性和形貌稳定性,且不影响聚合物分子排列及载流子传输性能。通过研究热退火对共混膜形貌的影响,发现使用光交联材料可以有效抑制富勒烯分子聚集,并提高聚合物太阳电池的热稳定性。基于PBDTTT-Br25和PBDTTT-Br50的器件光电转换效率分别为5．17％和4．48％,相比于基于聚合物PBDTTT的器件效率（4．26％）,性能得到明显的提高。     

P_3HT/PCBM基有机太阳能电池性能提高的研究

以P3HT作为电子给体材料,PCBM作为电子受体材料,制成不同厚度活性层的本体异质结有机太阳能电池.从I-V特性曲线分析了厚度对电池性能的影响.制备了添加PEDOTPSS和TiO2作为空穴阻挡层的有机电池,通过分析I-V特性曲线和吸收光谱,找到提高电池性能的方法.     

磷钨氧化物薄膜的制备及其有机发光二极管

有机发光二极管(OLED)中的高性能材料和新制备工艺一直是该领域的研究热点.以磷钨杂多酸溶液为前驱体,采用旋涂法在氧化铟锡(ITO)阳极上经退火制备磷钨氧化物薄膜,通过不同的退火条件调控薄膜的功函数.以X射线光电子能谱(XPS)、原子力显微镜(AFM)和紫外可见吸收光谱(UV-Vis)表征其组成、表面粗糙度和透光性.以此薄膜作为空穴注入层(HIL),构建结构为[ITO/HIL(35,nm)/NPB(25,nm)/C545T:Alq3(40,nm)/Alq3(15,nm)/LiF(1,nm)/Al(100,nm)]的绿光OLED器件.结果表明,采用旋涂法制备了表面平整、透光度大于92%,及功函数可调的磷钨氧化物薄膜,基于真空中退火的磷钨氧化物空穴注入层的器件表现出优异的发光性能,启亮电压为3.6,V,最大亮度为31,160,cd/m2,最大电流效率为11.54,cd/A,最大功率效率为4.45,lm/W.这一结果为研究金属氧化物空穴注入材料及其成膜方法以及获得高性能发光器件提供了新的启示.     

基于芴-苯并噻二唑的小分子光伏材料合成与性能

成功设计并合成了以三键为桥键,苯并噻二唑为受体(A)单元,二己基芴为给体(D)单元的D-π-A-π-D型小分子光伏材料FLEBT,利用核磁、高分辨质谱对该化合物进行了结构表征.FLEBT的光学性能和电化学性能分别通过紫外-可见光谱及循环伏安法进行测定.结果显示,FLEBT在有机溶剂中具有较好的溶解性和成膜性,具有较强的分子内电荷迁移(ICT)特征、较宽的紫外-可见吸收范围,并具有与受体材料PC61BM相匹配的电子能级.因此利用FLEBT为给体材料,PC61BM为受体材料,通过溶液过程加工法制作了体异质结(BHJ)太阳能电池,初步探索了材料的光伏性能.在模拟太阳光AM 1.5G(100mW·cm-2)下,器件开路电压(Voc)为0.72V,短路电流(Jsc)为0.93mA·cm-2,光电转换效率(PCE)为0.18%.研究结果表明,这类小分子是一种潜在的有机小分子光伏材料.     

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(VOx),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.     

基于磷钼酸和纳米氧化钼的复合空穴传输层材料及其在有机太阳能电池中的应用

围绕着开发可溶液法加工非聚(3,4-乙烯二氧噻吩单体):聚苯乙烯磺酸钠(poly(3,4-ethylendioxythiophene):poly(sodium-p-styrenesulfonate),PEDOT:PSS)电极界面修饰材料的核心目的,研究了基于磷钼酸(phosphomolybdic acid,PMA)和纳米氧化钼(Mo O3)复合物的新型空穴传输材料.通过将PMA溶液和Mo O3纳米粒子溶液进行混合,制备了复合墨水(PMA:Mo O3).该复合墨水在有机活性层表面具有很好的浸润性和成膜性.利用PMA:Mo O3复合空穴传输层(hole transport layer,HTL)制备的倒置P3HT:PC61BM光伏器件的开路电压和填充因子(fill factor,FF)均比基于单一PMA或Mo O3制备的器件有所提升.进一步优化了PMA:Mo O3复合墨水中两个组分间的比例,发现当复合墨水中Mo O3的含量为66%时,器件性能达到最优,其光电转换效率(power conversion efficiency,PCE)为3.71%.成功验证了利用金属氧化物与多金属氧簇(polyoxometalate,POM)复合物作为电极界面缓冲层制备有机太阳能电池的可行性,为开发新型电极界面修饰材料提供了一个新的研究思路.