文摘
在这个工作中,昏暗的四氯乙烯和耐光性的影响PCDTBT:电脑71年BM已经被研究。模糊是一种有效的添加剂在BHJ PCDTBT:电脑71年BM太阳能电池因为它满足选择性的要求个人电脑71年BM解散。PCE的设备基于PCDTBT:电脑71年BM处理暗高于参考设备。设备的稳定性而言,已经被处理暗显示在更长的曝光时间稳定性差。为设备不暗特别是曝光时间增加,设备稳定性更好,因为PCDTBT可以免受空气通过聚合的电脑71年BM层。PCDTBT:电脑71年BM设备处理昏暗,获得的结果测量表明,重组率较低。是测量结果显示,原始PCDTBT:电脑71年BM设备有3%的暗,活跃层阻力较低相比,设备没有暗淡。然而,耐辐射设备5小时后,设备的加工与昏暗的较高,符合减少PCE的老化设备。
1。介绍
在聚合物太阳能电池(PSC),活性层的形态决定功率转换效率起着决定性的作用,因为电荷载体,重组,和运输都是影响活性层的形态形成自旋后铸造(1- - - - - -8]。在已经被,激子分离成自由电子和空穴捐赠者聚合物之间的界面和受体富勒烯(9]。得到合理的PCE,由分离的电子和空穴激子必须运输和应该达到适当的提取电极,这需要双连续路径的供体和受体阶段。因此,活性层的最优形态已经被认为是一种交换电荷载体之间生成和传输到相应的电极。问题是活性层,强烈的理想形态取决于供体聚合物的溶解性和混合性和受体富勒烯不能形成在活跃的旋转涂布层。缓解这一问题,并提高功率转换效率已经被(PCE),有必要调整形态的活性层和下面的治疗是由研究人员在使用在地里干活。热处理,使用混合溶剂,为主机添加适当的添加剂溶剂(1,2,10- - - - - -12]。
高效的已经,BHJ捐赠:受体域长度范围≤10 nm polymer-fullerene好的混溶是非常必要的。然而,文献报告告诉我们,电脑71年BM总容易形成一个大域的大小~ 100 - 200 nm直径(1,13,14]。为了解决这一问题的个人电脑的聚合71年BM在聚合物:富勒烯系统,添加剂,特别是di (R)烷烃与各种官能团(R),已经被添加到BHJ混合解决方案(15),导致PCE的显著增加。在已经被相关文献,添加剂的使用优化活动层的形态非常常见,导致改善pc (1,16]。这是成为一个有吸引力的形态控制方法。
溶剂添加剂二碘甲烷(暗)是一种常用的添加剂,和它的使用增强了PCE在根据不同的聚合物已经被17]。在我们实验室,添加3%的暗处理添加剂PCDTBT:电脑71年BM在1,2-dichlorobenzene (DCB)提高了功率转换效率。PCDTBT不溶于昏暗而电脑71年BM是可溶性的。更好的溶解性,个人电脑的原因71年BM在昏暗的碘原子部分负电荷和PC71年BM electrodeficient导致强烈的相互交互(18]。因此,当昏暗与主溶剂混合,它将增加电脑的溶解度71年BM,这导致PCDTBT优化混合和电脑71年BM和更好的形态的电影PCDTBT:电脑71年大英博物馆是由旋转的铸件。毫无疑问,最优混合将改善PCE相比没有昏暗的设备加工。
然而,很少注意给出的结果处理添加剂在真实设备的工作寿命。因此,本研究的主要目的是揭示添加剂的影响在PSC的性能和工作寿命年龄曝光。为了确定PCDTBT暗对性能和稳定性的影响:电脑71年BM-based太阳能电池,我们的真实设备没有暗淡,研究了模糊和3%光照射下特征。我们也使用阻抗光谱和紫外可见光谱发现昏暗的耐光性的影响PCDTBT:电脑71年BM-based设备。
2。实验的细节
2.1。材料和解决方案
捐献者聚合物聚(n - 9 - - - - - -hepta-decanyl-2 7-carbazole-alt-5 5 - (4 ,7 - - - - - -di-2-thienyl-2 ,1 ,3 - - - - - -benzothiadiazole)] (PCDTBT)(平均兆瓦 )从Sigma-Aldrich用于这项工作了。富勒烯受体(6,6)检测苯量C71年丁酸甲酯(PC71年BM)纯度> 99%,同分异构体的混合物,从Sigma-Aldrich获得。所有化学品都作为收到。洞里运送聚合物PEDOT: PSS从Sigma-Aldrich获得。1,2-Dichlorobenzene (Riedel-de一点儿)被用作溶剂。
2.2。设备制造和表征
ITO清洁和PEDOT: PSS旋转涂布,早些时候我们使用过程,并给出程序的细节在Endale et al。19]。设备制造之前,解决方案包括PCDTBT:电脑71年BM的掺合比1:4 ( )和混合浓度为22.5毫克/毫升,1,2-dichlorobenzene激起了36小时。PCDTBT:电脑71年BM的解决方案是spin-casted到PEDOT: PSS-coated衬底在1400 rpm 54。最后,通过一个荫罩100纳米厚,铝电极的真空蒸发使用热蒸发器压力约爱德华兹(306) 托。
描述聚合物太阳能电池的伏安特性测量使用电化学分析仪(白光照明下的模型CHI600A) 100 mW /厘米2从Oriel-type 150 W氙灯光源(68830型)。所有设备准备和描述过程是在户外进行的。退化测量在环境空气样品被保存在一个开放的样品架,暴露于白光照明强度100 mW /厘米2。PCE光伏电池特性, , ,在不同的照射时间和FF测量。所有设备没有密封。紫外可见吸收光谱测定的紫外可见光谱仪珀金埃尔默λ950 UV / VIS / NIR光谱从300到900纳米波长范围。紫外可见测量,混合spin-coated到玻璃基板的设备使用相同的条件。
3所示。结果与讨论
3.1。紫外可见吸光度测量
图1紫外可见吸收光谱显示PCDTBT:电脑71年BM电影与3%,没有暗。我们可以看到从图1两者之间,没有明显的紫外可见吸收光谱PCDTBT:电脑71年BM电影有和没有昏暗的。然而,我们可以看到一个小低吸收强度在高能区和低能量的吸收强度稍高地区的电影处理暗淡。
图2规范化的紫外可见吸光度的变化显示BHJ PCDTBT电影:电脑71年BM处理,没有暗。增加曝光时间的观察表明,PCDTBT BHJ电影:电脑71年BM处理模糊稳定性较低或较高的降解率比BHJ电影没有昏暗的。因此,它是非常重要的研究昏暗的稳定性的影响PCDTBT:电脑71年在环境空气BM-based曝光设备。薄膜的光降解率较高的PCDTBT:电脑71年BM和昏暗的可能解释如下。由于个人电脑的溶解度71年BM在昏暗的,除了暗PCDTBT和PC之间产生均匀形态71年BM。齐次形态更PCDTBT暴露在空气中,更容易退化的O2和H2O分子相比BHJ层没有暗淡。
3.2。当前Density-Voltage特点
当前density-voltage特征( )PCDTBT:电脑71年BM设备处理3%,没有暗图所示3。PCDTBT:电脑71年BM太阳能电池没有暗(参比电池)显示PCE的2.77%, 马/厘米2, , mV, Ω·厘米2而PCDTBT:电脑71年BM太阳能电池处理3%的PCE的3.42%, 马/厘米2, , mV, Ω·厘米2。太阳能电池的处理3%昏暗,短路电流密度增加了21%,串联电阻已经减少了34%。结果表明,PCDTBT:电脑71年BM太阳能电池处理3%暗有更好的PCE提高短路电流密度,降低串联电阻。
太阳能电池不暗淡,严重的形成聚合电脑71年BM导致较低的夹层为PCDTBT域,从而降低了PCDTBT-PC71年BM界面面积和激子分离。然而,当使用暗淡,它选择性地溶解电脑71年BM PCDTBT-PC聚合促进形成较小的域和大71年在电影和优化PCDTBT-PC BM渗透71年BM接口,从而导致更高的激子分离。双连续的存在空穴和电子传输路径的电荷载体运输便利。改进的激子的分离和良好的电荷收集效率带来更好的能量转化效率。
增加短路电流密度PCDTBT:电脑71年BM设备处理3%暗可以解释如下。DCB不是电脑的最佳溶剂71年BM。当个人电脑71年BM DCB溶解,大型电脑71年BM颗粒形成(3,18]。当PSC是使用电脑制作的71年BM受体,大型电脑71年BM谷物可能阻碍激子迁移到供体/受体(D / A)接口,从而限制的电荷分离BHJ层(20.]。添加溶剂处理添加剂影响大小的富勒烯和提高双连续通道内形成BHJ复合导致更高(16,21- - - - - -24]。当昏暗的DCB混合,电脑71年BM晶界大小减少BHJ活跃层。随着个人电脑71年BM总量在减少,将会有一个更高的接口PCDTBT和PC之间的区域71年BM和更好的双连续电荷载体运输渠道,这导致更高 。因此,高的昏暗的负责相对于没有昏暗的设备加工。
当昏暗的添加,减少的价值表明,暗使电荷载体运输容易引起的形态在活性层PCDTBT:电脑71年BM。因此,改善结合减少意味着活性层的形态学处理3%的允许更有效的电荷载体生成和传输到电极相比,设备加工没有暗淡。
3.3。昏暗的电荷载体上一代的影响
对于弱电压依赖的光电流密度和高反向偏压nongeminate重组可以忽略不计,电荷载子一代的信息可以直接从获得的曲线。太阳能电池总电流密度( )可以表示为一个组合的黑暗二极管电流密度( )和光电流密度( )(3,25]: 在哪里是元电荷,活性层的厚度,是绑定电子空穴对的产生率每单位体积,然后呢 负责收集概率(3,26]。
从方程(1)和(2)、光电流密度( )聚合物太阳能电池是由以下方程:
足够大的反向偏压时, 自内部字段是足以扫除所有的电荷载体各自的电极(nongeminate重组可以忽略)和方程(3)成为
从方程(4)的生成率
从测量饱和电流密度在-1.0 V ( ),生成率PCDTBT:电脑71年BM太阳能电池加工没有和昏暗的计算为3%。为设备处理的3%, 厘米−3年代−1,而对于设备加工没有3%的, 厘米−3年代−1。产生率较低的设备没有3%的同意一个大域相分离PCDTBT:电脑71年因为低溶解度的PC BM混合71年在DCB BM。界面面积较低时,激子经历成双的重组,因为他们可能不会找到一生中分离的界面区域。激子找不到界面区域进行成双的重组。然而,当有一个更高的界面面积,激子可以得到界面区域内扩散长度和一生中得到分离。设备处理的高代率3%的表明,昏暗的作用是抑制大型富勒烯的形成集群,导致一个更小的长度尺度的聚合物和富勒烯阶段和增加有效界面面积的激子分离效率。从我们的测量获得的结果与实验结果是一致的报道添加剂的影响不同群体(13,14,27]。
为了理解PCDTBT更高的性能的起源:电脑71年BM太阳能电池3%的昏暗,我们调查了PCDTBT重组机制:电脑71年BM太阳能电池暗不同光照强度下,没有3%。自激子淬火散装异质结的电荷复合,强烈相关调查的光强度的依赖关系特征有助于调查主导重组机制,影响设备的性能。因此,复合动力学可以变化的调查所示光强度的函数。图4介绍了光强度的依赖关系PCDTBT:电脑71年BM太阳能电池处理,没有暗。图4表明PCDTBT:电脑71年BM太阳能电池没有暗,有轻微的非线性光强度的依赖。然而,PCDTBT:电脑71年BM和昏暗的太阳能电池体现了良好的线性光强度的依赖。的依赖给出了光强度的幂指数定律(3,28]: 在哪里光强度。原则上,纪念 表明所有的电荷载体已被移除之前重组(即。,有两个分子的重组可以忽略不计(最大载波扫出))(3,25,29日]。偏离 是由于nongeminate重组(24)和空间电荷效应(30.,31日]。PCDTBT:电脑71年BM太阳能电池没有暗, 相应的幂指数定律的方程(6)。然而,对于PCDTBT:电脑71年BM和昏暗的太阳能电池, 是观察到的。基于所得的值 ,可以期望更高nongeminate重组为设备在设备没有暗处理。处理的,值更接近统一无疑表明,双分子的/ nongeminate复合明显抑制相对于设备没有渺茫。也就是说,电荷载体扫出的设备是最有效的使用。结果证明3%暗可以用来提高电荷载体生成和传输导致改善PCE [32]。
3.4。PCDTBT暗对稳定性的影响:电脑71年BM太阳能电池
为了研究PCDTBT的暗对稳定性的影响:电脑71年BM太阳能电池暴露在连续照明100 mW /厘米2灯,太阳能电池处理和不暗捏造相比,露天和他们的个人电脑。PCDTBT:电脑71年BM太阳能电池加工没有和3%的照明与100 mW /厘米2光在测量,曲线在图给出5。定性分析的图5意味着两种设备,四氯乙烯, ,FF,随辐照时间增加而降低,这可能与漂白或/和退化的形态、活性layer-electrode接触,金属电极氧化等。漂白聚合物导致较低的吸收的光子。形态学降解时,导致增加的速度激子和自由电荷载体复合,减少电荷载体运输到电极,并降低PCE的设备。
(一)
(b)
PCE的归一化值在图6。如图6,有一个相对较低的利率的降低PCE的设备流程与3%的参考设备直到辐照时间为210分钟。结果表明PCDTBT的形态:电脑71年BM电影是由3%的昏暗,因此提高功率转换效率的稳定的设备。在光辐照下,设备性能稳定PCDTBT:电脑71年BM电影处理模糊是由于改进的溶解度和减少电脑的聚合71年BM PCDTBT:电脑71年BM BHJ电影促进了激子分离效率和电极的电荷传输。没有暗,聚合的PC71年由于低溶解度的PC BM已经形成71年BM不断增长越来越大,导致较高的成双nongeminate重组;然而,当有暗淡,它阻碍了聚合的PC71年BM至少一段时间。
另一方面,除了210分钟,为设备处理的3%,性能下降与参考设备相同的方式表明优势获得暗开始随着时间慢慢变淡。光电性能的降低是由于激子的有效分离形态不足,负责运输、和提取16]。获得的结果表明,从长远来看,在环境条件和持续照射,PCDTBT:电脑71年BM太阳能电池处理3%的低环境稳定。
王等人。33]发现双层已经显示更稳定的性能比BHJ已经在空调由于PCBM层的屏蔽效应。PTB7聚合物处理diiodooctane(戴奥)显示增加PTB7这部电影表面上因为大聚合电脑71年BM域溶解和融入PTB7域(1]。因为聚合物的暴露在空气中,已经被处理添加剂进行降解速度比未加工设备(34- - - - - -37]。基于文献的结果,它可能是,PCDTBT BHJ电影:电脑71年BM处理暗显示增加PCDTBT电影表面上的内容,因为大聚合电脑71年BM域溶解和融入PCDTBT域。因此,从长远来看,PCDTBT BHJ层:电脑71年BM处理模糊退化相比更容易在空气中没有昏暗的设备。
降低的利率正常化设备使用和不暗图所示7。从制造的时间直到150分钟照射时间,设备与昏暗的下降率较低 ;然而,150分钟后的衰减速度增加了与设备相比没有暗淡。结果表明在环境条件和连续辐照时间,减少溶剂添加剂昏暗的贡献吗太阳能电池和PCE有害影响。
图8显示了暗电流的测量,太阳能电池电流,暗电流-太阳能电池电流和暗电流-反向饱和电流PCDTBT:电脑71年BM太阳能电池处理3%的暗淡和明亮的太阳光照强度40 mW /厘米2在环境空气。在图8暗电流-反向饱和电流( )曲线响应的估计,太阳能电池将会没有任何重组。在图8,暗电流-反向饱和电流的曲线显示,重组主要是降低了填充因子和太阳能电池的开路电压。
图9显示的FF设备处理和没有昏暗的减少不断在光辐照。基于图8,电荷载体重组的原因降低FF曝光后测量。如图9显示,直到150分钟照射时间,太阳能电池处理3%的相对较低的FF相比减少太阳能电池过程没有暗淡。然而,照射时间150分钟后,太阳能电池处理暗显示连续增长3%的速度减少FF设备相比没有昏暗的,类似的案例 ,从长远来看,添加剂的负面影响的FF PCDTBT:电脑71年BM太阳能电池暴露在环境条件的光。
减少的速度PCDTBT:电脑71年BM太阳能电池加工没有和昏暗的3%作为辐照的函数(100 mW /厘米2在图中给出了环境空气)的时间10。结果表明,设备处理昏暗的还原率较低而学习时间的参考设备。然而,仔细检查的结果在图10(特别是最后三值)表明,在更长的曝光时间,设备处理模糊可能不稳定并将减少值。
图11显示了PCDTBT规范化串联电阻的变化:电脑71年BM太阳能电池加工没有和昏暗的3%作为辐照的函数(100 mW /厘米2在环境空气的时间)。获得的值表明,辐照时间,设备的串联电阻与昏暗的不断增加。增加和减少是一致的吗后与光辐照老化设备。增加也低的原因FF设备的处理模糊。
3.5。阻抗分析
在PSC,电性质的BHJ混合电影是由形态学特征。因此,使电影形态和电特性之间的联系是必不可少的。阻抗光谱学(是)允许的可能性做出合理的因果关系的形态BHJ PCDTBT的性能:电脑71年BM照射太阳能电池在不同的时间。
文献显示,已广泛应用于确定电动特性通过简单的等效电路模型已经被(38]。的接口PCDTBT:电脑71年BM太阳能电池可以被视为简单的元素,如电阻和功放电路模型。接口的表示和BHJ薄膜电阻和参数的电特性PCDTBT:电脑71年BM BHJ层可以连接到当前density-voltage ( )设备的特性。在PCDTBT:电脑71年BM太阳能电池,PCDTBT之间的接口和PC71年BM的BHJ BHJ可以直接与形态,和形态学BHJ直接影响设备的性能。分析之间的关系形态和太阳能电池的设备性能基于PCDTBT:电脑71年BM,有或没有3%暗不同老化时间下,我们使用的方法。
让我们假设PCDTBT:电脑71年BM太阳能电池,对应的电阻PCDTBT:电脑71年BM活跃层之间的接口PEDOT: PSS / PCDTBT:电脑71年BM和PCDTBT:电脑71年BM /。对应的电阻对测量电极和导线连接。因为已经有相同的器件结构,只有BHJ PCDTBT:电脑71年BM混合在不同条件下处理。因此,在所有的细胞可以认为是相同的。然而,能给我们信息的阻力影响溶剂添加剂、渺茫。
图12显示了结果PCDTBT:电脑71年BM太阳能电池处理,没有昏暗的3%。在图12,半径Cole-Cole情节是更高的设备加工没有暗淡,这意味着整个装置的阻力是高于设备处理3%暗。原始PCDTBT:电脑71年BM太阳能电池加工没有暗显示3%3725年Ω。另一方面,PCDTBT:电脑71年BM太阳能电池处理3%的减少682年Ω。更低的价值PCDTBT:电脑71年BM太阳能电池处理3%暗暗示的薄膜形态PCDTBT:电脑71年BM混合是通过较高的界面面积大大提高PCDTBT和PC之间71年BM由于暗淡的。
较小的值为设备处理的显示较慢电荷复合和较小的暗电流39,40]。最小的DIM-treated设备价值意味着暗允许更有效的抑制电荷载体在细胞的重组和更低的电荷传输阻力。所得结果与先前获得的重组的结果是一致的。
从文献,我们知道与聚合物混合添加剂:电脑71年BM混合会导致更有利的聚合物的形态:电脑71年BM BHJ由于减少电脑的大小71年BM和增加聚合物链之间的界面面积和电脑71年BM分子(18,41]。结果从Cole-Cole情节在图12显示,混合后的阻力减少3%与PCDTBT暗淡:电脑71年BM混合。没有暗,电脑71年BM总量大,阻碍个人电脑71年BM夹层PCDTBT网络在膜的形成,所以大隔离域与低界面区域(图形式13),增加了阻力。相反,如图13当昏暗的添加,电脑71年BM骨料溶解和较高的界面PCDTBT链和PC之间的区域71年BM分子会形成,因此,阻力减少。基于添加剂的总体效果和电阻测量的结果,昏暗的良好逻辑推理,除了PCDTBT链和PC之间的界面区71年BM分子应该增加阻力减小。
(一)
(b)
图14是Cole-Cole块PCDTBT:电脑71年BM太阳能电池加工暗淡,没有3%的原始和5人力资源辐照装置。在图14对于设备,Cole-Cole阴谋的半径增加后辐射设备5人力资源在环境空气,这意味着整个装置的阻力也增加了。增加的原因光照射后PCDTBT之间的界面面积的减少和电脑71年BM。的界面面积减少PCDTBT:电脑71年BM由于电脑71年BM聚合形成激子的分离和渗透的运营商BHJ层减少了。
4所示。结论
在这个工作中,昏暗的四氯乙烯和稳定性的影响已经由PCDTBT:电脑71年BM调查。昏暗中是一种有效的添加剂BHJ PCDTBT:电脑71年BM太阳能电池因为它满足选择性的要求个人电脑71年BM解散。PCE的设备基于PCDTBT:电脑71年BM处理暗高于参考设备没有渺茫。设备没有暗的短路电流密度较低。原因是没有暗,电脑71年BM总量大,阻碍个人电脑71年BM夹层PCDTBT网络在膜的形成,这创造了大,隔离PCDTBT域和电脑71年BM。由于减少了界面面积,将会有更低的激子分离的接口。然而,在昏暗的,个人电脑71年BM骨料溶解,这有助于整合电脑71年BM分子PCDTBT系统造成更大的PCDTBT:电脑71年BM界面面积和较小的领域。因为更高的界面区,会有更高的激子解离,这导致更高的短路电流密度。
设备的稳定性而言,已经被处理暗显示在更长的曝光时间稳定性差。为设备不暗特别是曝光时间增加,设备稳定性好。获得的结果告诉我们,使用溶剂添加剂PCDTBT暗淡:电脑71年BM太阳能电池不仅影响设备的PCE,也会影响其工作寿命。因此,在使用模糊增强PCE PCDTBT:电脑71年BM太阳能电池,最好考虑设备的稳定性。PCDTBT:电脑71年BM设备处理昏暗,获得的结果测量表明,重组率较低。是测量结果显示,原始PCDTBT:电脑71年BM设备有3%的暗,活跃层阻力较低相比,设备没有暗淡。然而,辐射设备5小时后,设备的阻力处理暗较高,并符合减少PCE的老化设备。
数据可用性
所有类型的数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
博士Endale Tsegaye感激地承认“总部设在Abdus Salam国际理论物理中心(ICTP),“意大利ICTP计划培训和研究实验室(下三角阵),对金融支持(预算代码:421. fitu.21.g)。这项研究工作是部分支持IOM-Consiglio重回delle Ricerche(预算代码:42100 iom09)。