兩種方法優(yōu)化有機(jī)太陽能電池ppt課件

1、Efficient organic solar cells with solution-processed carbon nanosheetsas transparent electrodes高效有機(jī)太陽能電池用可溶液加工碳納米薄膜作為透明電極大部分OSCs是以銦錫氧化物(ITO)為透明電極。目前研究的用來替代ITO的各種透明導(dǎo)電材料有：如導(dǎo)電聚合物2-4、金屬納米材料1,5、碳納米管1,6和石墨烯7-8等 。而石墨烯(一種二維導(dǎo)電碳納米片)因其很好的透明性、導(dǎo)電性和機(jī)械靈活性被認(rèn)為是最有潛力的ITO替代材料。Appl. Phys. Lett.102 , 043304 (2019) 目前制備石

2、墨烯最典型的兩種方法： chemical exfoliation(化學(xué)剝離法)：經(jīng)過連續(xù)的氧化、剝離、還原過程；但是用化學(xué)法制備的石墨烯邊緣含有氧化基團(tuán)，導(dǎo)致薄膜表面電阻較大，故OSCs效率一般較低0.1%-1.27% chemical vapor deposition(CVD)method (CVD法)： 合成大面積高導(dǎo)電性石墨烯片，OSCs效率約為1.23%-2.6%(1)石墨(黑色線條)氧化為夾層間距更大的氧化石墨(淺色線條)(2)在水中通過超聲作用剝落氧化石墨得到氧化石墨烯膠體，該體系由于靜電排斥作用而穩(wěn)定存在(3)通過還原，氧化石墨烯膠體脫氧轉(zhuǎn)化為導(dǎo)電的石墨烯膠體(a)氧化石墨烯溶液

3、(b)對應(yīng)的石墨烯溶液化學(xué)進(jìn)展，第24卷，第4期，2019年4月化學(xué)法制備石墨烯水溶液流程圖CVD制備流程圖制備流程圖在氫氣/氬氣或其它惰性氣體環(huán)境下進(jìn)行，用一些過渡金屬，最常用鎳或者銅金屬薄片或者膜作為基底兼催化劑。加熱使得碳?xì)浠衔锪呀?，在基底表面沉積形成石墨烯膜石墨烯從銅基底轉(zhuǎn)移到PET(不飽和聚酯)基底的工序化學(xué)進(jìn)展，第24卷，第4期，2019年4月一種不用轉(zhuǎn)移基底且不使用催化劑的方法來制備高質(zhì)量、可溶液加一種不用轉(zhuǎn)移基底且不使用催化劑的方法來制備高質(zhì)量、可溶液加工的石墨烯薄膜工的石墨烯薄膜CNSCNS聚丙烯晴(PAN)溶解在二甲基甲酰胺(DMF)中，旋涂在石英基片上。旋涂后的PAN薄

4、膜，250攝氏度氧化兩小時產(chǎn)生環(huán)化反應(yīng)， PAN結(jié)構(gòu)碳氮三鍵轉(zhuǎn)化為雙鍵，產(chǎn)生一個六元環(huán)吡啶環(huán)。在H2/Ar混合氣氛中，以5攝氏度/分鐘的加熱率加熱直到1200攝氏度，環(huán)化薄膜碳化。氮、氰化物、氨被去除，環(huán)化聚合物形成環(huán)化聚合物鏈。(a) Fabrication of CNS:a spin-coated PAN polymer and stabilization and carbonization processes (b)Schematic representation of the fabrication sequence for ITO-free solar cells with a so

5、lution-processed CNS anode film PEDOT:PSS緩沖層旋涂在CNS薄膜表面，120攝氏度干燥10分鐘。50mgP3HT、50mgPCBM溶解在2ml的1,2-鄰二氯苯溶液中旋涂在PEDOT:PSS表面，氮?dú)馐痔紫渲胁僮?。氮?dú)鈿夥罩?20分鐘溶劑退火處理和110攝氏度10分鐘熱退火。Ca(20nm)/Al(100nm)金屬電極真空蒸發(fā)，真空度10-4Pa。測試四探針系統(tǒng)測量表面電阻，CNS紫外可見透射光譜由Jasco V-570 UVvis/NIR 分光光度計(jì)測量。原子力顯微鏡測量CNS薄膜厚度。 Keithley 1200 、AM1.5，光強(qiáng)100mW/cm2

6、測量光伏特性，經(jīng)過Si太陽能電池校準(zhǔn)。AFM images of CNS films prepared by spin coating of (a) 0.1, (b) 0.5, (c) 1.0, (d) 1.5, (e) 2.0, and (f) 2.5wt. % PAN solutions.The thicknesses of CNS anodes spin-coated at various PAN concentrations were 0.8 nm at 0.1 wt. %, 1.6 nm at 0.5 wt. %, 4.6 nm at 1.0 wt. %, 7.9 nm at 1.5

7、 wt. %, 13 nm at 2.0 wt. %, and 19 nm at 2.5 wt. %, respectively.(a) Sheet resistance and film thickness as functions of the PAN concentration. (b) Optical transmission spectra of CNS films as functions of the PAN concentration. The inset shows conductivities of CNS films as functions of the PAN con

8、centration. FF與Rs和Rsh有關(guān) CNS薄膜較厚時透射率下降，比較薄的CNS薄膜使得活性層中的光子數(shù)量增加，從而激子和電流會增加。 在歐姆接觸的情況下，Voc是有給體HOMO和受體LUMO能級決定。總結(jié) 本文在石英基底旋涂溶于DMF的PAN，經(jīng)過環(huán)化、碳化等系列措施，產(chǎn)生CNS透明導(dǎo)電薄膜，以這種薄膜為電極制備BHJ有機(jī)太陽能電池。比一般的石墨烯導(dǎo)電薄膜制備的太陽能電池效率高(1.76%)。參考文獻(xiàn)D. S. Hecht, L. Hu, and G. Irvin, Adv. Mater. 23, 1482 (2019).S.-I. Na, S.-S. Kim, J. Jo, an

9、d D.-Y. Kim, Adv. Mater. 20, 4061 (2019).Y. Xia, K. Sun, and J. Ouyang, Adv. Mater. 24, 2436 (2019).J.-S. Yeo, J.-M. Yun, D.-Y. Kim, S. Park, S.-S. Kim, M.-H. Yoon, T.-W. Kim, and S.-I. Na, ACS Appl. Mater. Interfaces 4, 2551 (2019).C.-H. Chung, T.-B. Song, B. Bob, R. Zhu, H.-S. Duan, and Y. Yang, A

10、dv. Mater. 24, 5499 (2019).Z. Wu, Z. Chen, X. Du, J. M. Logan, J. Sippel, M. Nikolou, K. Kamaras, J. R. Reynolds, D. B. Tanner, A. F. Hebard, and A. G. Rinzler, Science 305, 1273 (2019). MEDLINEK. S. Kim, Y. Zhao, H. Jang, S. Y. Lee, J. M. Kim, K. S. Kim, J.-H. Ahn, P. Kim, J.-Y. Choi, and B. H. Hon

11、g, Nature 457, 706 (2021). MEDLINEX. Wan, G. Long, L. Huang, and Y. Chen, Adv. Mater. 23, 5342 (2019)Immerse precipitation as an efficient protocol to optimize morphology and performance of organic solar cells一種有效地優(yōu)化有機(jī)太陽能電池形貌和性能的方法浸沒沉淀法對于體異質(zhì)結(jié)太陽能電池，有機(jī)層的薄膜形貌對于器件性能的影響是很大的，因此，退火1、添加劑2、預(yù)聚集3以及界面工程4,5等方法被研

12、究以形成理想的薄膜形貌。此外，對傳統(tǒng)的旋涂過程中，溶劑的處理也是一個很重要的因素，一般低沸點(diǎn)的溶劑可以直接揮發(fā)至空氣中，但是對于沸點(diǎn)較高的溶劑，在高溫烘烤的同時，也可以采用兩相分離-萃取的方法來去除通過使用一種與溶劑相溶解，但是與有機(jī)層不溶的溶劑）。Appl. Phys. Lett.101 , 233306(2019)Immerse precipitation (IP)浸沒沉淀法詳解(1)旋涂(2)薄膜1，含有CF(氯仿)、 DIO(二碘辛烷)(3)CF蒸發(fā)(4)薄膜2，含有DIO(5)滴入soaking solvent (6)DIO被浸泡液溶解后，在旋涂過程中通過離心力作用被去除APPLIE

13、D PHYSICS LETTERS 101, 233306 (2019)實(shí)驗(yàn)： 器件結(jié)構(gòu)：ITO/PEDOT:PSS/PCTDPP:PCBM/Al ，ITO面電阻8.5 /,異丙醇、丙酮、酒精超聲清洗，再經(jīng)過紫外臭氧清潔，PEDOT:PSS旋涂在ITO表面，轉(zhuǎn)速3000rpm，大氣中150 C 烘焙15 分鐘。12.5mgPCTDPP:PCBM(1:1.5wt.%)溶入1mlCF:DIO(100:2vol.%), 40oC 攪拌14小時，1000rpm旋涂，活性層厚度經(jīng)AFM測試80nm，最后蒸發(fā)Al電極。.器件的電流-電壓特性：(Glass/ITO/PEDOT:PSS/PCTDP:PCBM/

14、Al) 傳統(tǒng)旋涂方法(A); 浸沒沉淀法，甲醇作為浸泡溶劑(B); 酒精作為浸泡溶劑(C); 異丙醇做浸泡溶劑(D).FIG. 3. 器件表面粗糙度(a) A, (b) B, (c) C, and (d) D; 器件活性層相位圖 (e) A, (f) B, (g) C, and (h) D. 插圖 (c) 表明存在針孔。FIG. 4. UV-visible absorption spectra of active layers from device A, B, C, and D.與傳統(tǒng)的旋涂方法制備的薄膜不同，用浸沒沉淀法使得有機(jī)層得到固化，通過使用選擇性溶解的浸泡溶劑來溶解高沸點(diǎn)的DIO，

15、能夠形成更好的薄膜表面形貌，同時，器件性能也得到優(yōu)化。1G. Li, V. Shrotriya, J. Huang, Y. Yao, T. Moriarty, K. Emery, and Y.Yang,Nat. Mater. 4(11), 864 (2019).2J. Kwan Lee, W. L. Ma, C. J. Brabec, J. Yuen, J. S. Moon, J. Y. Kim, K.Lee, G. C. Bazan, and A. J. Heeger, J. Am. Chem. Soc. 130(11), 3619(2019).3L. Zuo, X. Hu, T. Ye, T. Andersen, H. Li, M. Shi, M. Xu, J. Ling, Q.Zheng, J. Xu, E. Bundgaard, F. C. Krebs, and H. Z. Chen, J. Phys. Chem.C 116(32), 1689316900 (2019