【摘 要】
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有机太阳能电池(OSCs)具有可半透明、机械性能优异、柔性、可溶液加工、成本低等特点,在近几十年获得了科研人员的广泛关注。随着给/受体材料的不断发展和器件工程的进步,目前的有机太阳能电池的最高能量转换效率(PCE)已经超过了 18%。半透明有机太阳能电池(ST-OSCs)能够将太阳光部分转化为电能的同时允许可见光透过,在建筑光伏一体化和便携式电子设备中具有潜在应用价值。理想的半透明有机太阳能电池应
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有机太阳能电池(OSCs)具有可半透明、机械性能优异、柔性、可溶液加工、成本低等特点,在近几十年获得了科研人员的广泛关注。随着给/受体材料的不断发展和器件工程的进步,目前的有机太阳能电池的最高能量转换效率(PCE)已经超过了 18%。半透明有机太阳能电池(ST-OSCs)能够将太阳光部分转化为电能的同时允许可见光透过,在建筑光伏一体化和便携式电子设备中具有潜在应用价值。理想的半透明有机太阳能电池应选择性吸收红外和紫外区域的光,可同时实现高能量转换效率和高平均可见光透过率(AVT)。但是目前的半透明有机太阳能电池活性层体系大多在可见光区存在较强的吸收,为了平衡可见光区光的透过,活性层的整体吸收受到了限制,因此其PCE和AVT互相制衡,阻碍了半透明有机太阳能电池性能的进一步提高。鉴于此,本论文针对活性层在可见光区吸收需要合理控制的问题,希望通过活性层材料的甄选、活性层结构的控制以及给受体比例的调控减小活性层在可见光区的吸收,使得半透明有机太阳能电池同时实现较高的AVT和PCE。主要研究工作如下:1.选取宽带隙小分子给体TAPC,搭配非富勒烯小分子受体Y6,制备了半透明有机太阳能电池。TAPC具有很宽的带隙(Eg=3.54 eV),在可见光区几乎没有吸收。Y6在近红外区域具有强吸收,可以在吸收利用太阳光的同时不对平均可见光透过率造成严重影响,两者的搭配可以极大减小活性层在可见光区的吸收。通过使用氯仿(CF)溶剂对TAPC:Y6(1:1,w:w)进行蒸汽退火处理(SVA),发现SVA能够提高所制备的有机太阳能电池的电荷收集效率,降低双分子复合,获得较理想的形貌,从而使能量转换效率得到提高。制备了基于SVA处理的TAPC:Y6混合膜的半透明有机太阳能电池,实现了 3.01%的PCE以及高达47.99%的AVT。其CIE 1931坐标为(0.292,0.313),接近D65标准光源的坐标,显色指数(CRI)为94.5,表明其具有良好的显色能力。2.提出通过顺序旋涂(SD)方法制备了基于聚合物给体PTB7-Th、PCDTBT和窄带隙小分子受体IEICO-4C1的三元ST-OSCs。首先对比了本体异质结(BHJ)型和SD型PTB7-Th:IEICO-4C1半透明有机太阳能电池,发现在不同活性层厚度下,SD型二元半透明有机太阳能电池都能保持和BHJ型二元半透明有机太阳能电池相当的PCE,但是具有更高的AVT,因此具有更高的光利用效率(LUE),更适于降低给体在可见光区的吸收。所制备半透明有机太阳能电池的性能可以通-过在SD型半透明有机太阳能电池的PTB7-Th给体层中加入宽带隙给体PCDTBT进一步提高。PCDTBT的引入不仅有助于抵抗上层CF溶剂的旋洗,而且还改善了电荷产生和电荷收集效率。最后,通过在半透明Au电极顶部引入MgF2光耦合层,有效提高了所制备半透明有机太阳能电池的AVT。最终制备的带有MgF2光耦合层的SD型PTB7-Th:10%PCDTBT/IEICO-4Cl三元半透明有机太阳能电池实现了 6.30%的 PCE 和 43.93%的 AVT,LUE 为 2.77%。3.选取高效PM6:L8-BO体系,通过降低给体含量来降低活性层在可见光区的吸收,制备了高效半透明有机太阳能电池。探究了降低给体比例对活性层吸收、电荷传输、形貌的影响。研究发现,随着PM6的含量逐渐减小,混合膜光子捕获能力和电荷提取能力随之下降,电荷复合逐渐增加,但PCE在一定区间下降缓慢。以15nm Au作为半透明顶电极,制备了一系列不同PM6:L8-BO质量比的半透明有机太阳能电池。随着PM6含量的下降,半透明有机太阳能电池的PCE有所降低,但是提高的AVT使得器件的综合性能有所提升。最终,基于PM6:L8-BO质量比为1:3的半透明有机太阳能电池获得了 12.35%的PCE以及21.38%的AVT,使得LUE从PM6:L8-BO质量比为1:1.2的2.10%提高到了 2.64%,说明了减小给体比例的策略在PM6:L8-BO体系中实现高性能半透明有机太阳能电池的有效性。
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