【提高有机太阳能电池能量转换效率的方法分析3800字】

提高有机太阳能电池能量转换效率的方法分析1在有机功能层中引入微纳结构在太阳光的激发下，激子从有机功能层中产生，激子的扩散长度范围在10nm之间要想有效地将电子从空穴中分离出来，以及要避免激子的复合，就要将有机功能层中电子给体和受体之间的间隙控制在几十纳米的范围内[70]。为了解决上述相关问题，JongSooKim研究小组发现，使用氧化铝模板(AAO)，能够把纳米结构引入到有机功能层中(见图6)，大大地提升了电子给体(P3HT)与受体(C60)的接触面积，不仅能提高空穴与电子分离效率而且还能传输到器件的阴极与阳极。研究发现，P3HT的导电性能的提高是由于P3HT的纳米棒的取向和主链取向一致。该类纳米结构太阳能电池的转换效率比P3HT/C60双层结构器件的转换效率提高了7倍[26]。除此之外，研究者发现同时将酞氰铜(CuPc)纳米棒与氧化锌(ZnO)纳米棒分别加入到太阳能部件的功能层中，都能有效提升器件效率[27-28]。另一方面，科学家们也把电子受体材料制造成微纳结构接入到部件功能层中，使其发挥优化太阳能电池部件性能的作用。ZhanaoTan研究小组把电子受体材料P3HT和PbSe量子点混合制造有机功能层材料，研发出了高性能光伏部件[29]。在文献[30]中，电子受体材料CdS纳米棒和MEH2PPV材料是太阳能电池的功能层结构材料，这些材料能让激子复合几率有效地降低，并且可以将部件的光伏特性提高。为了提高微纳结构的质量，在有机太阳能电池制造过程里也引入了纳米压印技术。WenjinZeng研究小组采用新的纳米压印技术，受体材料EV2BT与给体材料P3HT的接触面制造出了微纳结构，将受体和给体的接触面积增大，将器件的光电流增大，进而将电池效率[31]提高。如图7的纳米压印技术制备的器件结构示图。在文献[32]里，同样也是将纳米压印技术的提高作为提高电池器件性能的方法。为了能够探索更好的方法以提高器件性能，Doo2HyunKo研究小组采用印刷技术(PRINT)，把有机功能层TDPTD:PCBM制造成高是180nm、周期是400nm的二维光子晶体，图8是他们研究扫描电子显微镜形貌图。根据此光子晶体制造新的有机太阳能器件，极大地改善了电学性质与光吸收效率，新的有机太阳能器件的能量转换效率有效提高了70%，填充因子和开路电压都提高了10%[33]。JohnRTumbleston研究小组同样运用光子晶体结果有效地将电池效率[13]提高了。Forrest[34]等人非常巧妙地采用倾斜蒸镀的方法，制造了纳米柱(纳米孔)的点阵结构。将20nm的ClAlPc被蒸镀ITO表面时，将ITO基板倾斜到60°，结果ITO表面可以形成无规的纳米柱(纳米孔)，其尺度大概为30nm。如图9所示该倾斜蒸镀后的ITO表面形貌，往往比平常垂直蒸镀增加许多纳米柱(纳米孔)结构。接着，他们将纳米结构层上制造40nm的C60当作电子受体材料，C60材料能够有效地填充到ClAlPc纳米孔中。此种方法获得的电子给体、受体材料的接触面积是以往方法(垂直蒸镀)的2倍多，部件的外量子效率也将近提高到以往方法的2倍左右。1.2对有机功能层进行掺杂为了提高混合膜层P3HT的结晶化和P3HT:PCBM中二者的相分离，在相关文献中[35-36]，研究发现，在有机功能层P3HT:PCBM中加入十二烷硫醇，当加入十二烷硫醇浓度为溶液的2%时，部件效率提升了3倍左右,而且当PCBM和P3HT的质量比为2:1时，加入十二烷硫醇溶液占整体溶液的百分之二时，此时对提高部件性能的效果最为显著。Liu[37]研究小组把单壁碳纳米管混入到有机功能层P3HT:PCBM里，他们的实验证明，单壁碳纳米管的混合浓度低至(1%)时，单壁碳纳米管不但能提高载流子的迁移率和有效提高功能层的导电能力;然而，如果单壁碳纳米管的混合浓度超标，它的金属性会促使功能层中的空穴和电子复合，从而使器件的能量转换效率降低。对多壁碳纳米管来说，当它在功能层P3HT:PCBM里掺杂比例高达0.01wt%时，部件的效率比未掺杂时候的参照部件高了29%[38]。原因是多壁碳纳米管的混入，导致伸展开了混合层中P3HT的主链，而且P3HT主链能够获得更好的取向性，因此具备更高的光吸收效率，提高了该部件的光伏性能。为了实现提高有机功能层的光伏特性的目标，向有机功能层混入的材料还包含小分子ZnPc，Alq3，SiPc，二苯基蒽以及癸烷二茂钴等[39-42]。1.3器件结构中加入缓冲层有机太阳能电池具有的膜层结构中，实验者常常采取加入阴极缓冲层或者阳极缓冲层的方式，进而来平衡载流子的浓度，用以提高该部件的光伏性能。接下来我们就拿阴极缓冲层和阳极缓冲层这两个方面来分别展开论述。(1)阳极缓冲层现代，我们平常所用的阳极缓冲层叫PEDOT:PSS。只要甩膜一层PEDOT:PSS在清洗过的这种氧化铟锡(ITO)导电玻璃上，就能够更有效地减弱ITO表面的粗糙度，与此同时，还能够把空穴从有机功能层向阳极的注入效率提高。HouYanBing等人在甩膜PEDOT:PSS的时候，向部件的上方施加了一个静电场，研究发现，此举可以有效提高空穴传输层和阳极的接触面积，从而提高部件的能量转换效率[43]与短路电流。Jun[44]研究小组采用电化学合成的方法制备了阳极缓冲层PEDOT:PSS，部件性能得到很大程度的改善。研究发现，把金属纳米颗粒、小分子材料或氧化物纳米颗粒混合到PEDOT:PSS中，三者均能提高PEDOT:PSS空穴传输能力。Huang[45]研究小组把甘油混合到PEDOT:PSS中，能让导电能力得到进一步提高，短路电流也随着提高了24%，然而当甘油的混合浓度高于30mg/ml时，混合甘油的PE2DOT:PSS膜层质量将会变差，进而不利于了器件性能的优化。Chen[46]等研究者把金纳米颗粒混合到PEDOT:PSS中，通过采用金纳米颗粒的局域表面等离激元振荡效应，有效提高了有机功能层中的空穴和激子产生效率、电子分离的几率，填充因子与短路电流都能得到提高。N.G.Semaltianos等研究者发现把氧化锌纳米颗粒混入到PEDOT:PSS膜层中，会让PE2DOT:PSS高分子主链得以较好的伸展，混合后的PEDOT:PSS膜层的电导率将会提升2倍[47]。BonanKang[48]研究小组把有机物聚四氟乙烯(PT2FE)作为缓冲层制备加入到器件里，短路电流与开路电压将会一起增加，研究表明，PTFE不仅是一种廉价而且还具有稳定性的有机物缓冲层材料。除有机化合物外，氧化物还被广泛用作阳极缓冲层。文献[49-52]采用氧化钼薄膜作为阳极缓冲层，有效降低了阳极费米能级和功能层Homo能级之间的势垒，提高了有机层到阳极的空穴传输能力，从而平衡了整个器件的载流子迁移率。此外，氧化钨、氧化锌、氧化钛和氧化钒等氧化物薄膜被广泛用作有机太阳能电池的阳极缓冲层[69]。Frankyso[53]团队在有机太阳能电池中制备了双层阳极缓冲层，其能量转换效率比单层pedoT:PSS缓冲层高53%。他们在阳极和有机功能层之间制备了氧化钼层和聚合物TFB层，不仅有效地阻碍了电子传输，而且提高了功能层到阳极的空穴传输能力。在参考文献[54-55]中，双阳极缓冲层也用于改善器件的光伏性能。(2)阴极缓冲层阴极缓冲层可以由阴极和功能层之间进行制备，能够有效提高电子由功能层向阴极的传输能力，进而改善平衡器件中的载流子浓度。目前，LIF被广泛应用于有机电池器件的阴极缓冲层。要想LiF能起到阴极缓冲层的效果，LIF膜层的厚度一定要精确控制在0.5nm之间，不然将不利于电子向阴极的传输[70]，损坏器件性能。准确制备超薄LIF薄膜对部件制造技术提出了更高的要求。所以，要寻找一种新型的对薄膜层厚度要求不高的阴极缓冲层材料，以此来降低制备工艺的难度，这也是现阶段的研究热点之一。黄忠玉[56]等人制备了有机C60作为功能层和阴极之间的阴极缓冲层。结果表明，C60薄膜不仅但能有效阻止空穴的传输，而且还能阻止有机功能层与金属阴极的化学反应，延缓有机功能层的氧渗透和氧化。因此，C60缓冲层的加入，提高了器件的转换效率，延长了部件的工作时长。相关文献中记载，用于作阴极缓冲层的有机材料还有Alq3，BCP，Bphen以及WPF2oxy2F和聚芴衍生物PF2EP等。除此之外，有机太阳能电池的阴极缓冲层通常也会采用氧化物膜层。Wang[57]等研究人员把氧化钛膜层制备在阴极与有机功能层之间，部件的热稳定性能得到显著的提高。研究人员还发现，采用纳米多孔氧化钛作为阴极缓冲层，能进一步改善部件光伏性能[58]。文献[59-60]还指出，阴极缓冲层里有两种较好的膜层，其中是氧化锌纳米颗粒和氧化锌膜层。张世勇[1]等研究人员在实验中得出相关证明，若将3nm氧化锰用做阴极缓冲层加入到部件中，部件的能量转换效率与LiF作为阴极缓冲层相比，3nm氧化锰参比部件提高了12%，且部件的稳定性也有明显的提高。1.4有机太阳能器件阳极的优化处理现阶段，ITO常被用作有机光伏器件的阳极材料，为了能更好的优化ITO阳极，研究人员对其进行了相关的优化处理工作。DavidA.Rider研究小组将噻吩硅烷修饰在ITO表面，改善了器件的能量转换效率与电荷迁移率。文献中采用氨基硅烷在ITO表面自组装的方法对ITO阳极进行了优化。Y.M.Kang等研究人员将不同计量的氧化铯混入到ITO中，实验研究表明，当掺杂比例为3.0wt%时，经过修饰后的ITO膜层，其结晶温度将大于200°C，表面形貌较为平整，导电能力也有显著的提高。除此之外，采用盐酸与液氮也能有效优化ITO阳极。由于ITO中所含的铟元素为稀缺资源，铟元素在地球的含量非常有限。所以，研究人员正在努力寻找能够替代ITO的作为部件的阳极氧化膜。研究发现，混合钨的氧化锡与混合铝的氧化锌都能在一定的程度上改善光伏部件的性能[18]。除氧化物外，一些有机材料还具有作为部件阳极的潜力。在文献中提到，采用聚合物PEDOT作为阳极可以在很大程度上提高部件的光伏性能。YounSooKim等研究人员将氧化硅混合到PEDOT中，制造出了同时具有低表面电阻与高透光性的阳极。除此之外，其他用作阳极的有机化合物有碳纳米管和石墨烯。具有良好柔韧性的有机化合物为柔性光伏器件的制备奠定了基础。为了获得透光率高、导电性好的阳极，在光伏器件的阳极中还引入了氧化物/金属/氧化物三层结构。据研究发现，在阳极中加入金属层可以有效地提高阳极的导电性，但如果金属层过厚，会牺牲阳极的透光能力，从而降低器件的能量转换效率。

因此，只有当金属膜达到一定厚度时，才能同时优化三层阳极的电导率和透射率。M.Chakaroun[61]研究小组研究了ITO/Ag/ITO作为阳极的器件光伏性能。若ITO膜厚为50nm，银膜厚度