高性能三元有機太陽能電池的設計及機理研究
發(fā)布時間：2021-02-01 11:01
有機太陽能電池作為新型光伏技術的一種,具有環(huán)保、質輕、成本低、易制備等優(yōu)點,是近年來能源領域的研究熱點。在眾多提高器件光伏性能的策略之中,三元策略同時兼顧了單異質結電池的簡單工藝和疊層器件對光子較強的捕獲能力,是提升有機太陽能電池性能行之有效的方法之一。然而,三元有機太陽能電池的發(fā)展仍面臨著如下問題:首先,有機太陽能電池的光電轉換效率尚未達到實際應用的標準,進一步提高器件的光電轉換效率是三元有機太陽能電池發(fā)展面臨的首要問題;其次,三元電池中各組分材料間的相互作用對器件性能的影響十分重要,合理利用第三元組分誘導活性層的相分離和電荷動力學過程仍需進一步的深入研究;第三,有機太陽能電池的穩(wěn)定性是繼器件效率突破之后的另一關鍵問題,第三元材料的引入對器件穩(wěn)定性的影響值得關注;最后,三元策略在有機太陽能電池的應用領域,如半透明有機光伏器件等方面仍需大力發(fā)展。針對上述問題,本論文通過合理地調控第三元組分與主體系分子間的相互作用,改善活性層的電學性能和微觀形貌,實現高效率、高穩(wěn)定性的三元有機太陽能電池。本論文主要的研究內容和創(chuàng)新點如下:（1）創(chuàng)新性地采用分子間氫鍵策略改善富勒烯分子的電學特性,定向地誘...
【文章來源】：電子科技大學四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：183 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
基于PTB7-Th:PC71BM(120 nm)和PTB7-Th:PC71BM:0.5%DDO:1%DIO(80 nm)活性層的透射光譜
圖6-5基于PTB7-Th:PC71BM(120 nm)和PTB7-Th:PC71BM:0.5%DDO:1%DIO(80 nm)活性層的透射光譜隨后,制備了基于PTB7-Th:PC71BM:0.5%DDO:1%DIO的半透明有機太陽能電池。電池結構為ITO/ZnO(20 nm)/Active layer(80 nm)/MoO3(10 nm)/Au(1nm)/Ag(10-30nm),如圖6-6所示,采用1nm的Au與不同厚度的Ag配合使用作為透明電極,一方面可以有效地抑制Ag的滲透效應,另一方面增加了低厚度下Ag薄膜的均勻性,確保形成具有良好透過率和較低電阻的連續(xù)的Ag電極。半透明器件在可見光區(qū)域(370-740 nm)的透射光譜是測量從玻璃/ITO面入射到透明電極一側出射的光譜,如圖6-7(a)所示。與近期報道的基于近紅外非富勒烯受體的半透明器件不同,所有器件在可見光區(qū)域均顯示適當的透射率,這表明我們工作中的半透明有機太陽能電池在400-600 nm的強烈太陽光輻射區(qū)域具有均衡的吸收率和透射率。當Ag電極的厚度為10 nm時,半透明器件在獲得6.83%的PCE的同時獲得了49.5%的超高AVT。進一步將Ag電極的厚度增加到20 nm,半透明器件的PCE增加到8.41%,AVT為30.8%。該結果實現了在整個可見區(qū)域內高PCE和良好的AVT的平衡。將Ag的厚度增加到30 nm,半透明器件的PCE到達了9.71%,而器件的AVT下降至15.9%。相關的器件數據列在表6-5中。
隨后,制備了基于PTB7-Th:PC71BM:0.5%DDO:1%DIO的半透明有機太陽能電池。電池結構為ITO/ZnO(20 nm)/Active layer(80 nm)/MoO3(10 nm)/Au(1nm)/Ag(10-30nm),如圖6-6所示,采用1nm的Au與不同厚度的Ag配合使用作為透明電極,一方面可以有效地抑制Ag的滲透效應,另一方面增加了低厚度下Ag薄膜的均勻性,確保形成具有良好透過率和較低電阻的連續(xù)的Ag電極。半透明器件在可見光區(qū)域(370-740 nm)的透射光譜是測量從玻璃/ITO面入射到透明電極一側出射的光譜,如圖6-7(a)所示。與近期報道的基于近紅外非富勒烯受體的半透明器件不同,所有器件在可見光區(qū)域均顯示適當的透射率,這表明我們工作中的半透明有機太陽能電池在400-600 nm的強烈太陽光輻射區(qū)域具有均衡的吸收率和透射率。當Ag電極的厚度為10 nm時,半透明器件在獲得6.83%的PCE的同時獲得了49.5%的超高AVT。進一步將Ag電極的厚度增加到20 nm,半透明器件的PCE增加到8.41%,AVT為30.8%。該結果實現了在整個可見區(qū)域內高PCE和良好的AVT的平衡。將Ag的厚度增加到30 nm,半透明器件的PCE到達了9.71%,而器件的AVT下降至15.9%。相關的器件數據列在表6-5中。圖6-7(b)顯示了Ag厚度為10、20和30 nm(從左到右)的半透明器件的實物照片。透過半透明器件,背景清晰可辨。表明所有半透明器件均具有良好的可見光透過率。基于不同電極厚度的半透明器件的J-V曲線如圖6-7(c)所示,隨著Ag厚度從30 nm減小到10 nm,半透明器件的JSC表現出規(guī)律性的衰減。如圖6-7(d)中的EQE曲線所示,與不透明器件相比,半透明器件的EQE光譜在可見光區(qū)域顯示出明顯的下降,這歸因于半透明器件在可見光區(qū)域良好的透過性。此外,當Ag電極的厚度減小到20 nm和10 nm時,半透明器件的EQE在300-800 nm的整個吸收范圍內呈現出減小的趨勢,這是因為隨著Ag厚度的減薄,半透明電極的反射率降低,導致活性層對光子捕獲能力的降低。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]效率超過17.2%類合金模型的三元聚合物太陽能電池（英文）[J]. 安橋石,王健,高威,馬曉玲,胡拯豪,高進華,徐春雨,郝明輝,張曉俐,楊楚羅,張�？�. Science Bulletin. 2020(07)
[2]有機太陽電池效率突破18%（英文）[J]. 劉啟世,江宇凡,金柯,秦建強,許金桂,李文婷,熊驥,劉金鳳,肖作,孫寬,楊上峰,張小濤,丁黎明. Science Bulletin. 2020(04)
本文編號：3012667
【文章來源】：電子科技大學四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：183 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
基于PTB7-Th:PC71BM(120 nm)和PTB7-Th:PC71BM:0.5%DDO:1%DIO(80 nm)活性層的透射光譜
圖6-5基于PTB7-Th:PC71BM(120 nm)和PTB7-Th:PC71BM:0.5%DDO:1%DIO(80 nm)活性層的透射光譜隨后,制備了基于PTB7-Th:PC71BM:0.5%DDO:1%DIO的半透明有機太陽能電池。電池結構為ITO/ZnO(20 nm)/Active layer(80 nm)/MoO3(10 nm)/Au(1nm)/Ag(10-30nm),如圖6-6所示,采用1nm的Au與不同厚度的Ag配合使用作為透明電極,一方面可以有效地抑制Ag的滲透效應,另一方面增加了低厚度下Ag薄膜的均勻性,確保形成具有良好透過率和較低電阻的連續(xù)的Ag電極。半透明器件在可見光區(qū)域(370-740 nm)的透射光譜是測量從玻璃/ITO面入射到透明電極一側出射的光譜,如圖6-7(a)所示。與近期報道的基于近紅外非富勒烯受體的半透明器件不同,所有器件在可見光區(qū)域均顯示適當的透射率,這表明我們工作中的半透明有機太陽能電池在400-600 nm的強烈太陽光輻射區(qū)域具有均衡的吸收率和透射率。當Ag電極的厚度為10 nm時,半透明器件在獲得6.83%的PCE的同時獲得了49.5%的超高AVT。進一步將Ag電極的厚度增加到20 nm,半透明器件的PCE增加到8.41%,AVT為30.8%。該結果實現了在整個可見區(qū)域內高PCE和良好的AVT的平衡。將Ag的厚度增加到30 nm,半透明器件的PCE到達了9.71%,而器件的AVT下降至15.9%。相關的器件數據列在表6-5中。
隨后,制備了基于PTB7-Th:PC71BM:0.5%DDO:1%DIO的半透明有機太陽能電池。電池結構為ITO/ZnO(20 nm)/Active layer(80 nm)/MoO3(10 nm)/Au(1nm)/Ag(10-30nm),如圖6-6所示,采用1nm的Au與不同厚度的Ag配合使用作為透明電極,一方面可以有效地抑制Ag的滲透效應,另一方面增加了低厚度下Ag薄膜的均勻性,確保形成具有良好透過率和較低電阻的連續(xù)的Ag電極。半透明器件在可見光區(qū)域(370-740 nm)的透射光譜是測量從玻璃/ITO面入射到透明電極一側出射的光譜,如圖6-7(a)所示。與近期報道的基于近紅外非富勒烯受體的半透明器件不同,所有器件在可見光區(qū)域均顯示適當的透射率,這表明我們工作中的半透明有機太陽能電池在400-600 nm的強烈太陽光輻射區(qū)域具有均衡的吸收率和透射率。當Ag電極的厚度為10 nm時,半透明器件在獲得6.83%的PCE的同時獲得了49.5%的超高AVT。進一步將Ag電極的厚度增加到20 nm,半透明器件的PCE增加到8.41%,AVT為30.8%。該結果實現了在整個可見區(qū)域內高PCE和良好的AVT的平衡。將Ag的厚度增加到30 nm,半透明器件的PCE到達了9.71%,而器件的AVT下降至15.9%。相關的器件數據列在表6-5中。圖6-7(b)顯示了Ag厚度為10、20和30 nm(從左到右)的半透明器件的實物照片。透過半透明器件,背景清晰可辨。表明所有半透明器件均具有良好的可見光透過率。基于不同電極厚度的半透明器件的J-V曲線如圖6-7(c)所示,隨著Ag厚度從30 nm減小到10 nm,半透明器件的JSC表現出規(guī)律性的衰減。如圖6-7(d)中的EQE曲線所示,與不透明器件相比,半透明器件的EQE光譜在可見光區(qū)域顯示出明顯的下降,這歸因于半透明器件在可見光區(qū)域良好的透過性。此外,當Ag電極的厚度減小到20 nm和10 nm時,半透明器件的EQE在300-800 nm的整個吸收范圍內呈現出減小的趨勢,這是因為隨著Ag厚度的減薄,半透明電極的反射率降低,導致活性層對光子捕獲能力的降低。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]效率超過17.2%類合金模型的三元聚合物太陽能電池（英文）[J]. 安橋石,王健,高威,馬曉玲,胡拯豪,高進華,徐春雨,郝明輝,張曉俐,楊楚羅,張�？�. Science Bulletin. 2020(07)
[2]有機太陽電池效率突破18%（英文）[J]. 劉啟世,江宇凡,金柯,秦建強,許金桂,李文婷,熊驥,劉金鳳,肖作,孫寬,楊上峰,張小濤,丁黎明. Science Bulletin. 2020(04)
本文編號：3012667
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