聚合物太阳能电池的制备和优化基于P3HT:电脑_70年BM系统

文摘

有效的散装异质结(BHJ)聚合物太阳能电池已经被基于P3HT:电脑_70年BM捏造了优化工艺参数。优化的厚度和退火温度已发现大约200 nm和130°C。阴极界面层对器件性能的影响与界面偶极子的形成。此外,最佳氧化锌界面厚度的影响(~ 30海里)设备性能是由于良好的界面电导率及其光学性质。缓慢的金属电极沉积速率有更好的对设备性能的影响。基于这些最优条件,最好的电源转换效率(PCE)下获得了3.91%的1.5 g和100 mW /厘米²照明。这详细调查提供了一个重要的参考聚合物光伏器件的制备和优化。

1。介绍

近年来,聚合物太阳能电池(已经)吸引了太多的关注由于其成本低、易于加工、灵活性、和传统无机同行相比重量轻1- - - - - -6]。事实上,最有前途的已经被认为是基于本体异质结(BHJ)结构的聚合物的资助者是密切与富勒烯衍生物受体增加电荷分离混合,在已经被运输。的功率转换效率(PCE) BHJ已经也被大大提高在过去年7- - - - - -11]。然而,他们还没有意识到商业化比传统基于硅光伏电池。许多调查在运行机制、新颖设备结构,制造工艺,多功能材料的合成进行了为了提高设备性能(2,9,12- - - - - -16]。其中,太阳能电池的制备过程是非常重要的。从光能量转换成电能的过程已经被通常包括光子吸收,激子形成/扩散、激子解离,航空运输对电极,通过各自的电极和电荷收集。这些过程巧妙地控制活跃层厚度、材料的固有特性,热处理,和界面修改,例如,插入不同的活性层与电极之间的界面层。因此,指出高效设备很难通过优化只是一个方面。

在这个报告中,我们报告的制作和优化聚合物太阳能电池基于P3HT和电脑_70年BM通过改变活性层的厚度,退火温度、类型和阴极界面层厚度和金属电极沉积速率。这些因素对设备性能的影响的原因进行了讨论。

2。实验

2.1。材料

Regioregular捐赠者P3HT(保利(3-hexylthiophene))和受体的电脑_70年BM (6、6苯丙_70年丁酸甲酯)从发光技术,购买Inc . PEDOT: PSS (Clevios 4083)是购自HC斯塔克。醋酸锌(锌(CH₃首席运营官)₂98.0%),2-methoxyethanol (CH₃哟₂CH₂哦,99.0%)和单乙醇胺(NH)₂CH₂CH₂哦,99.0%)从Sigma-Aldrich购买。所有的化学物质被用作收到没有进一步净化。1,2-Dichlorobenzene P3HT的(DCB)解决方案:电脑_70年BM重量(1:0.8)包含(20毫克毫升⁻¹)P3HT(16毫克毫升⁻¹)个人电脑_70年BM在杂物箱了一夜之间60°C。冷却到室温后,解决方案是通过0.2过滤μ聚四氟乙烯(PTFE)滤波器。氧化锌的前身是由溶解醋酸锌和单乙醇胺在剧烈搅拌下2-methoxyethanol 12 h水解反应在空气中。

2.2。设备制造和测量

设备制造之前,伊藤基质(CSG控股有限公司、深圳、中国)被声波降解法用洗涤剂清洗,去离子水,丙酮和异丙醇按顺序,持续15分钟。在烤箱烘干后几个小时,ITO表面等离子体处理治疗10分钟。然后,一层PEDOT: PSS (~ 40 nm) spin-coated到清洗ITO的阳极缓冲层已经在120°C和烤15分钟。然后,活性层和氧化锌薄膜在杂物箱spin-coated采用P3HT:电脑_70年BM混合解决方案和氧化锌前体溶液,分别。艾尔(生活或Ca)电极沉积在沉积室的真空压力下2×10⁻⁴Pa。

当前density-voltage (jv)制造设备的特点进行了使用计算机控制的吉时利2400数字源表照明与校准1.5 g (100 mW /厘米²太阳模拟器在室温下氮条件。氙气光源用来模拟辐照度的100 mW /厘米²(相当于1.5 g辐照)表面的太阳能设备。荫罩热蒸发期间使用了定义0.15厘米的有效面积²。所有使用分析器alpha-step表面厚度的测量进行了分析。

3所示。结果与讨论

3.1。活性层厚度对器件性能的影响

图1显示材料的化学结构,聚合物光伏电池制造的典型设备的结构,和组成材料的能级图用于这项研究。活性层的厚度已经报告给扮演重要的角色在决定设备的电气性能(17- - - - - -19]。为了优化的性能已经被认为,首先,我们的设备的结构ITO / PEDOT: PSS / P3HT:电脑_70年BM / Al使用不同厚度的P3HT:电脑_70年BM。图2显示了电流密度与电压(jv)特征的设备测量在100 mW /厘米²照明(1.5 g)。设备的性能与不同的活性层厚度表中列出1进行比较。设备与200纳米的厚度显示2.64%的最佳性能最高的四氯乙烯,开路电压()0.56 V,短路电流密度()8.74 mA /厘米²,填充因子(0.54)。值得注意的是,和设备不变化显著的活性层的厚度的增加从100纳米到200纳米(保持和保持V),但设备的明显增加从6.34 mA /厘米²8.74 mA /厘米²与活性层厚度从100纳米到200纳米,导致PCE的增加从2.05%降至2.64%。进一步增加活性层厚度(300海里)使设备性能急剧衰减PCE的1.19%。

在已经被认为,改善活性层厚度可能导致更多的吸收光子,所以设备的明显增加与活性层厚度从100纳米到200纳米。然而,无序材料中的载流子迁移率相对较低,导致更多的重组载体到达电极。因此,进一步增强活性层厚度结果增加电荷复合和串联电阻,从而降低填充因子和短路电流。上面的结果是在良好的协议与以前报道19,20.]。

3.2。退火处理对设备性能的影响

热处理的设备通常用于改善相隔离的供体和受体材料,以获得最优形态的散装异质结21]。然而,这种技术是通用的,因为相分离的程度取决于很多因素。为了研究退火处理对设备性能的影响,这些设备是在不同退火温度下退火后阴极沉积。

图3显示了jv特征下的设备是1.5克照明的辐照强度100 mW /厘米²。所有设备具有相同的结构,ITO / PEDOT: PSS / P3HT:电脑_70年BM / Al 200海里的最佳活性层厚度,和设备的性能参数如表所示2。显然,设备的性能很大程度上依赖于退火温度。对于铸造状态,设备显示PCE的最佳性能2.64%。在退火过程中,设备显示出更好的性能与PCE的3.53%,0.55 V,10.70 mA /厘米²在130°C。增加相关的著名的改进结晶行为的混合组件和最佳的纳米相隔离,从而导致更高的电荷迁移已经[22,23]。然而,进一步提高退火温度为150°C,设备显示低PCE的2.36%左右,0.53 V,8.52 mA /厘米²,0.52。这不仅性能下降可能与P3HT的组织和/或电脑_70年BM还涉及其他进程在退火处理;例如,过度的热退火会导致不利的粗化的受体和捐赠者域,导致相分离在激子扩散长度(长度尺度比22- - - - - -24]。

3.3。不同阴极界面层对电池性能的影响

的传统已经被阴极界面层(cil)要求低的工作功能(WFs)来匹配水平LUMO的受体材料费用提取和运输。为了获得一个全面的理解不同cil影响设备,我们选择,生活/ Al和Ca / Al阴极,研究了ITO的表演传统的设备结构/ PEDOT: PSS / P3HT:电脑_70年BM(200海里)/ cil / Al(没有热处理)。图4显示了jv特点是1.5克照明下的设备与不同的cil的辐照强度100 mW /厘米²。设备性能与各种cil总结表3。

如图4和表3设备的性能与不同的cil急剧变化。最好的设备有3.83%的PCE Ca / Al CIL。基于P3HT的设备:电脑_70年BM只有铝阴极给2.64%的PCE。相比之下,设备的PCE的生活/ Al和Ca / Al阴极都提高到3.23%和3.83%,分别。这个改进可以主要与短路电流密度的增加和填充因子,导致设备的PCE的增强。太阳能电池的增强性能的机制的植入阴极夹层可能瘦偶极层的形成,从而降低金属的功函数,从而更好的能量水平对齐在有机/阴极界面,并取得了更好的性能。此外,Ca是一种活跃的金属和可能反应P3HT的C原子,所以较强的界面偶极子形式在活性层之间的接口和Ca / Al CIL,这将促进“无障碍”电子提取lumo的电脑_70年BM和改善和的设备。因此,最佳的性能已经达到3.83%的PCE使用Ca / Al CIL。

3.4。氧化锌界面厚度对器件性能的影响

过渡金属氧化物(TMOs)已经广泛应用于有机光电设备(25- - - - - -27]。在这些TMOs用于聚合物太阳能电池中,氧化锌是一种最有前途的候选人阴极缓冲层(28]。为了理解氧化锌CIL厚度的影响在优化条件下(活性层厚度200海里),我们的设备与各种厚度的氧化锌。jv在光照下绘制在图特征5和参数表中列出4。

如表所示4,设备的参数变化显著,除了各种氧化锌厚度仍在V。设备的PCE变化从3.05%(与氧化锌厚度,(= 15海里)至3.91%= 30 nm,最优厚度),(回到2.75%= 45 nm制程)。PCE的振荡行为作为氧化锌厚度的函数可以归因于能力促进高效的电子转移和从聚合物萃取:富勒烯混合导电氧化锌层厚度的影响。改进设备性能是由于电子选择性接口和阴极欧姆接触,提供优秀的提取和转移电子的能力随着氧化锌厚度的增加,最优厚度;进一步提高氧化锌厚度会导致较低的传导和串联电阻的增加29日,30.]。

此外,氧化锌也可以用作光学间隔层在有机太阳能电池。在这里,氧化锌层P3HT之间的合并:电脑_70年BM活跃层和铝金属电极可以提高光吸收的结果重新分配的光学电场装置,从而得到更高的光电流。进一步理解氧化锌厚度对电场分布的影响的装置,模拟空间分布的平方光学电场(入射平面波标准化)为520纳米光照明与不同的氧化锌厚度计算的传递矩阵法。PEDOT的光学常数:PSS P3HT:电脑_70年BM、氧化锌和艾尔和椭圆光度法测量得到的玻璃衬底ITO的确定和报告在文献[31日]。

图6显示了平方的空间分布计算光学电场在活性层的设备与氧化锌界面层。没有氧化锌光隔离,与140纳米的厚度薄的光敏层坐落在最大的光学电场。插入氧化锌层后,两个最大值附近的位置观察到60和180海里。同时增加氧化锌厚垫片厚度最大的位置转向主动层。从图6,可以清楚地看到一个温和改善光学电场强度的插入30纳米氧化锌层。激子生成率的增加也可以被发现在ZnO-modified设备。这表明光学建模是一个精确的工具来预测中的光吸收设备的改进与200纳米活性层和30纳米氧化锌层的再分配的光学设备内部的电场。因此,我们可以得出结论,氧化锌层插入设备可能提高效率的可能的原因。

3.5。电极金属沉积速率对设备性能的影响

此外,我们发现铝电极的沉积速率有很大影响设备的性能。因此,设备的结构ITO / PEDOT: PSS / P3HT:电脑_70年BM(200海里)/ Al捏造,沉淀艾尔在活性层/ s 2.0和14.0 A / s,分别。的沉积过程中的材料进行真空室底部的压力2×10左右⁻⁴Pa。材料的沉积率与石英晶体检测监控。设备改善的PCE从2.27%降至3.34%8.06 mA /厘米²和9.34 mA /厘米²快和慢下沉积率,分别。这表明设备准备慢速度下的性能更好。jv在光照下绘制在图特征7和参数表列出的设备5。

我们把这一现象归因于以下方面。结构性障碍是负责内在陷阱主要由生长条件和控制相关沉积铝电极(32]。慢沉积增长率减少导致陷阱密度状态。快速沉积的增长速度,然而,导致更高的陷阱密度由于结构缺陷。这些陷阱状态强烈影响载体复合动力学。Trap-assisted重组是单分子重组加剧了陷阱密度高的存在。因此,很明显,设备准备下慢沉积增长率达到更高的性能比准备下沉积生长速度快。另一个原因是晶粒尺寸和表面粗糙度的影响,这可以解释为台湾经济增长模式的根本特征。发现的均方根(rms)粗糙度Al电影与沉积速率增加,和这部电影准备快速沉积速率有较大的晶粒尺寸。也就是说,铝电极之间的电接触和活跃层快速沉积速率是糟糕的电荷收集和过渡比沉积速率过慢的问题。

3.6。稳定的设备

由于聚合物太阳能电池由有机材料,这些材料非常容易与水或空气中的氧气发生反应,严重降低了设备的性能(33- - - - - -35]。水或氧气在大气中扩散的设备导致photo-oxidation有机层,导致光化学分解聚合物或电荷转移复合物的形成。这些带来的蚀变叠加形成的聚合物结构与更高程度的聚合物排序较低程度的聚合物排序和改善的陷阱电荷传输(35- - - - - -37]。有机/金属电极接口也脆弱对氧气和水,和低功函数如铝和钙可以形成金属氧化物电极的界面,因此将作为运输障碍导致恶化的光伏性能(33,37,38]。有机太阳能电池的寿命上面受到许多因素的影响,还有许多问题需要进一步研究,但近年来,在研究人员的努力下,太阳能电池的寿命超过数千小时在有利的情况下(33,35]。这个进展获得了发展,如反向装置结构的设备,photostable更活跃的选择材料和界面层的引入(38,39]。

4所示。结论

已经被基于P3HT:电脑_70年BM系统制作,通过改变制造工艺参数进行了优化。优化的厚度和退火温度达到更高的PCE的大约200纳米和130°C,分别。多光子吸收和增加混合组件的结晶行为导致优秀的设备性能。阴极界面层具有不同功函数的影响对电池性能相关的界面偶极子的形成。此外,最佳氧化锌界面厚度的影响(~ 30海里)设备性能是由于良好的界面电导率及其光学性质。金属电极沉积速率缓慢的一个更好的对设备性能的影响。最好的电源转换效率(PCE)下获得了3.91%的1.5 g 100 mW /厘米²照明。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(号。61176061,61474046,11247253)。

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