發(fā)布時(shí)間：2020-12-22 00:31

　　為了提高雙結(jié)疊層有機(jī)太陽(yáng)能電池(OSCs)的性能,我們對(duì)有機(jī)小分子疊層OSCs的中間層(IL)、陰極界面層(CL)和活性層進(jìn)行了優(yōu)化。首先,研究不同低功函數(shù)的金屬納米粒子(Mg、Ag、Al和Ca)作為IL對(duì)疊層OSCs性能的影響,得到了最優(yōu)的IL材料為0.1 nm厚的金屬Al,使得疊層OSCs的PCE提升了50.9%。其次,研究了不同低功函數(shù)金屬(Mg、Al和Ca)作為CL對(duì)疊層OSCs性能的影響,并得到了最優(yōu)的CL金屬材料為Mg,與Al作為CL的疊層OSCs對(duì)比,采用Mg作為CL的器件PCE提升了20.7%。最后采用窄帶隙材料DTDCTB取代中帶隙材料boron subphthalocyanine chloride(SubPc)作為后子電池的活性層,與僅采用SubPc的疊層OSCs相比,PCE提升了30.2%。當(dāng)前后子電池均采用體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)后,最終疊層OSCs的PCE達(dá)到了4.04%,與最初未優(yōu)化前OSCs的PCE(2.1%)相比,最優(yōu)OSCs的PCE提升了92.4%。 

【文章來(lái)源】：發(fā)光學(xué)報(bào). 2020年02期 北大核心

【文章頁(yè)數(shù)】：6 頁(yè)

【部分圖文】：

疊層有機(jī)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意圖

圖2(a)所示為采用Mg、Ag、Al或Ca納米粒子IL的疊層OSCs的J-V曲線,表1為OSCs相應(yīng)的性能參數(shù)。從J-V曲線可以看出,采用不同IL的疊層OSCs的開路電壓(Voc)各不相同,其中沒有IL的疊層OSCs,其Voc最小為1.74 V,并具有較大的串聯(lián)電阻(Rs),Rs=15 095.60 Ω,PCE僅為2.1%。這主要是由于前后子電池之間沒有形成良好的歐姆接觸。當(dāng)引入低功函數(shù)金屬納米粒子IL后,疊層OSCs的Voc和填充因子(FF)都得到明顯的優(yōu)化。其中采用Ag納米粒子作為IL的OSCs,其Voc增加到了2.16 V;Al納米粒子作為IL的疊層OSCs,其填充因子增加到了60.74%,Rs最小為666.72 Ω,并且該電池表現(xiàn)出了最高的PCE,為3.16%。疊層OSCs性能的提升主要?dú)w因于低功函數(shù)的金屬納米粒子IL能夠有效復(fù)合來(lái)自上、下電池的電子和空穴,形成良好的歐姆接觸,降低OSCs的串聯(lián)電阻,減少了電勢(shì)損失,進(jìn)而使得雙結(jié)疊層OSCs的性能得到了明顯的提升。因此我們選擇Al納米粒子作為IL,并對(duì)其厚度進(jìn)行優(yōu)化。表1 引入不同IL的TOSCs的性能參數(shù)Tab.1 Photovoltaic parameters of the TOSCs with different ILs IL Voc/V Jsc/(mA·cm-2) FF/% PCE/% Rs/Ω 無(wú) 1.74 2.44 49.52 2.10 15 095.60 Mg 2.15 2.38 49.66 2.54 8 910.17 Ag 2.16 2.48 53.64 2.88 2 641.55 Al 2.15 2.42 60.74 3.16 666.72 Ca 2.15 2.41 50.07 2.59 19 034.00

為了進(jìn)一步優(yōu)化雙結(jié)疊層OSCs的性能,我們研究了CL對(duì)器件性能的影響,在已優(yōu)化的IL為0.1 nm Al的基礎(chǔ)上,在疊層OSCs引入CL為3 nm厚的金屬M(fèi)g、Al或Ca,相應(yīng)的器件結(jié)構(gòu)為:ITO/MoO3(5 nm)/SubPc(20 nm)/C60(25 nm)/BCP(4 nm)/Al(0.1 nm)/MoO3(5 nm)/SubPc(20 nm)/C60(25 nm)/BCP(4 nm)/CL/Ag(100 nm)。圖3為采用不同金屬CL的疊層OSCs的J-V曲線,表3為器件相應(yīng)的性能參數(shù)。從J-V曲線可以看出,采用Mg、Al或Ca的CL的3組OSCs的Voc基本相同,這是因?yàn)镮L和CL界面都形成了良好的歐姆接觸,而Voc僅由給體材料的最高占據(jù)分子軌道(The highest occupied molecular orbital,HOMO)和受體材料的最低未占據(jù)分子軌道(The lowest unoccupied molecular orbital,LUMO)能級(jí)之間的能極差所決定[18-19],但這3組器件的給體材料與受體材料未發(fā)生改變,所以器件的開路電壓接近。而3組電池的Jsc卻有很大的差別,其中采用Mg作為CL材料的電池有最高的Jsc,為2.50 mA/cm2。這是因?yàn)榧尤隡g材料的CL降低了激子阻擋層BCP與陰極Ag界面的勢(shì)壘,使得陰極收集電子的能力增強(qiáng)。同時(shí)與其他兩組OSCs對(duì)比,該OSCs的Rs最低為803.86 Ω,這也再次證明Mg作為CL降低了陰極界面接觸電阻,從而提高了基于SubPc/C60的雙結(jié)疊層OSCs的PCE,為3.21%。與采用Al作為CL的OSCs相比(2.66%),PCE增加了20.7%。由于有機(jī)小分子疊層OSCs所使用的不同的激子阻擋層材料都具有相似的LUMO和HOMO能級(jí)結(jié)構(gòu),因此,Al IL層和Mg CL層在小分子疊層OSCs中具有普遍適用性。表3 引入不同CL的TOSCs的性能參數(shù)Tab.3 Photovoltaic parameters of the TOSCs with different CLs CL Voc/V JSC/(mA·cm-2) FF/% PCE/% RS/Ω Mg 2.16 2.50 59.46 3.21 803.86 Al 2.15 2.10 58.92 2.66 1 046.35 Ca 2.16 2.35 58.12 2.95 894.84

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]表面等離子體-微腔激元對(duì)頂入射有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池光吸收效率的增強(qiáng)[J]. 金玉,王康,鄒道華,吳志軍,相春平.  發(fā)光學(xué)報(bào). 2017(11)
[2]TiO2陰極緩沖層對(duì)Rubrene/C70有機(jī)太陽(yáng)能電池性能的改善[J]. 張利忠,吳明曉,田金鵬,吳步軍,謝偉廣,劉彭義.  發(fā)光學(xué)報(bào). 2017(03)



本文編號(hào)：2930801