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探測器光譜響應(yīng)度測試系統(tǒng)在單結(jié)聚合物太陽能電池測試方向的應(yīng)用
更新時(shí)間:2020-07-17瀏覽:2150次

引言

聚合物太陽能電池是具備較大前景的下一代光伏電池,可以通過室溫溶液處理法制造,其中,串聯(lián)聚合物太陽能電池因其10%的高功率轉(zhuǎn)換效率而備受關(guān)注。華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院吳宏濱老師課題組,研究了一種新開發(fā)的半導(dǎo)體聚合物電池,通過改變活性層的成分和共混物的結(jié)構(gòu)順序來實(shí)現(xiàn)對帶狀拖尾的控制,使材料具有高性能光敏層、更高的化合價(jià)能級,在電子結(jié)中將尾態(tài)密度降低到電子受體的導(dǎo)帶以下,在單結(jié)器件中實(shí)現(xiàn)了類似串聯(lián)聚合物電池的效率。

研究成果

華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院吳宏濱老師課題組證明了通過控制PC71BM的LUMO以下的帶尾效應(yīng),可以有效緩解和調(diào)節(jié)基于窄帶隙聚合物PSCs的開路電壓中的基本損耗,并且可以在很寬的范圍內(nèi)(100 mV)進(jìn)行調(diào)制。通過光電流光譜響應(yīng)特性分析和結(jié)構(gòu)表征的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,我們發(fā)現(xiàn)帶尾效應(yīng)的減少以及電子和空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級分裂的增加有助于改善開路電壓。此外,我們在帶拖尾和器件的光電壓輸出之間建立了相關(guān)性,提供更多有關(guān)高VOC起源的應(yīng)用,為材料的進(jìn)一步改進(jìn)提供理論和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)依據(jù)。


圖1 60wt% PC71BM的PSCs共混物的光學(xué)性質(zhì)和的器件性能

氟取代法對深化的有效性,HOMO能級和PTB7-Th作為有希望的電子供體

本文首先研究了具有規(guī)則組成的倒置結(jié)構(gòu)中器件的性能,其中聚合物:PC71BM的比例為1:1.5。在1個(gè)太陽光1000 W m-2的光照,模擬AM 1.5G照明情況下,PSCs展現(xiàn)出了非常好的光電性能。 根據(jù)器件的J–V特性得出的器件參數(shù),如VOC,Jsc和填充因子(FF)分別為0.815 V,17.52 mA cm-2和72.0%,效率為10.28 %。 與我們以前的報(bào)告中PTB7器件的性能相比(VOC= 0.740 V,Jsc= 17.20 mA cm-2,F(xiàn)F = 72.0%和PCE = 9.15%),PTB7-Th器件具有更高的VOC和更高的Jsc,表明氟取代基方法確實(shí)是一種非常成功的方法。
通過將EQE數(shù)據(jù)與AM 1.5G太陽光譜的乘積積分而獲得的理論Jsc為17.99 mA cm-2,這與從J–V特征曲線獲得的值非常吻合(圖1b,表1),這些數(shù)據(jù)為了進(jìn)一步增強(qiáng)PTB7-Th器件的VOC和整體器件性能提供了一定的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
表1PC71BM在10%至95%之間的重量分?jǐn)?shù)變化范圍
 
為了調(diào)查VOC增強(qiáng)機(jī)制,本文分析了器件的暗飽和電流,從圖3a,b中可以看出,所有曲線斜率基本一致,其理想因子值為1.45±0.15。根據(jù)VOC的斜率與光強(qiáng)度的自然對數(shù)(圖3c),發(fā)現(xiàn)大多數(shù)設(shè)備在照明條件下的理想因子為1.10±0.10,器件之間的電荷動(dòng)態(tài)變化不大。

圖3a 有源層中具有不同PC71BM重量分?jǐn)?shù)的一系列典型器件的暗伏安特性;
圖3b 黑色實(shí)線適合暗J–V的指數(shù)增長特征;圖3c  VOC與器件的光強(qiáng)度自然對數(shù)

 結(jié)論

本文研究發(fā)現(xiàn)單結(jié)PSCs材料的PCEs超過10%,該太陽能電池性能可與非晶/微晶硅太陽能電池相比擬,是一種高效有機(jī)串聯(lián)元件。通過使用新合成的,具有深HOMO能級的窄帶隙半導(dǎo)體聚合物,以及控制電子受體傳導(dǎo)帶以下的尾態(tài)密度和共混物的無序度,該材料在相對較低的光照強(qiáng)度條件下(0.3–0.5太陽照射)PCEs可以達(dá)到11%,這是朝著實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的太陽能電池邁出的重要一步,也為太陽能電池材料的研究提供了一定的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

文章信息

這一成果發(fā)表在nature photonics上,該文章是由華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院吳宏濱老師課題組完成,
本研究采用的是北京卓立漢光儀器有限公司 “研究級DSR100系列探測器光譜響應(yīng)度標(biāo)定系統(tǒng)”,如需了解該產(chǎn)品,歡迎咨詢我司。

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