小分子叠层有机太阳能电池的界面层优化
发布时间：2020-12-22 00:31
为了提高双结叠层有机太阳能电池(OSCs)的性能,我们对有机小分子叠层OSCs的中间层(IL)、阴极界面层(CL)和活性层进行了优化。首先,研究不同低功函数的金属纳米粒子(Mg、Ag、Al和Ca)作为IL对叠层OSCs性能的影响,得到了最优的IL材料为0.1 nm厚的金属Al,使得叠层OSCs的PCE提升了50.9%。其次,研究了不同低功函数金属(Mg、Al和Ca)作为CL对叠层OSCs性能的影响,并得到了最优的CL金属材料为Mg,与Al作为CL的叠层OSCs对比,采用Mg作为CL的器件PCE提升了20.7%。最后采用窄带隙材料DTDCTB取代中带隙材料boron subphthalocyanine chloride(SubPc)作为后子电池的活性层,与仅采用SubPc的叠层OSCs相比,PCE提升了30.2%。当前后子电池均采用体异质结结构后,最终叠层OSCs的PCE达到了4.04%,与最初未优化前OSCs的PCE(2.1%)相比,最优OSCs的PCE提升了92.4%。
【文章来源】：发光学报. 2020年02期 北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
叠层有机太阳能电池结构示意图
图2(a)所示为采用Mg、Ag、Al或Ca纳米粒子IL的叠层OSCs的J-V曲线,表1为OSCs相应的性能参数。从J-V曲线可以看出,采用不同IL的叠层OSCs的开路电压(Voc)各不相同,其中没有IL的叠层OSCs,其Voc最小为1.74 V,并具有较大的串联电阻(Rs),Rs=15 095.60 Ω,PCE仅为2.1%。这主要是由于前后子电池之间没有形成良好的欧姆接触。当引入低功函数金属纳米粒子IL后,叠层OSCs的Voc和填充因子(FF)都得到明显的优化。其中采用Ag纳米粒子作为IL的OSCs,其Voc增加到了2.16 V;Al纳米粒子作为IL的叠层OSCs,其填充因子增加到了60.74%,Rs最小为666.72 Ω,并且该电池表现出了最高的PCE,为3.16%。叠层OSCs性能的提升主要归因于低功函数的金属纳米粒子IL能够有效复合来自上、下电池的电子和空穴,形成良好的欧姆接触,降低OSCs的串联电阻,减少了电势损失,进而使得双结叠层OSCs的性能得到了明显的提升。因此我们选择Al纳米粒子作为IL,并对其厚度进行优化。表1 引入不同IL的TOSCs的性能参数Tab.1 Photovoltaic parameters of the TOSCs with different ILs IL Voc/V Jsc/(mA·cm-2) FF/% PCE/% Rs/Ω 无 1.74 2.44 49.52 2.10 15 095.60 Mg 2.15 2.38 49.66 2.54 8 910.17 Ag 2.16 2.48 53.64 2.88 2 641.55 Al 2.15 2.42 60.74 3.16 666.72 Ca 2.15 2.41 50.07 2.59 19 034.00
为了进一步优化双结叠层OSCs的性能,我们研究了CL对器件性能的影响,在已优化的IL为0.1 nm Al的基础上,在叠层OSCs引入CL为3 nm厚的金属Mg、Al或Ca,相应的器件结构为:ITO/MoO3(5 nm)/SubPc(20 nm)/C60(25 nm)/BCP(4 nm)/Al(0.1 nm)/MoO3(5 nm)/SubPc(20 nm)/C60(25 nm)/BCP(4 nm)/CL/Ag(100 nm)。图3为采用不同金属CL的叠层OSCs的J-V曲线,表3为器件相应的性能参数。从J-V曲线可以看出,采用Mg、Al或Ca的CL的3组OSCs的Voc基本相同,这是因为IL和CL界面都形成了良好的欧姆接触,而Voc仅由给体材料的最高占据分子轨道(The highest occupied molecular orbital,HOMO)和受体材料的最低未占据分子轨道(The lowest unoccupied molecular orbital,LUMO)能级之间的能极差所决定[18-19],但这3组器件的给体材料与受体材料未发生改变,所以器件的开路电压接近。而3组电池的Jsc却有很大的差别,其中采用Mg作为CL材料的电池有最高的Jsc,为2.50 mA/cm2。这是因为加入Mg材料的CL降低了激子阻挡层BCP与阴极Ag界面的势垒,使得阴极收集电子的能力增强。同时与其他两组OSCs对比,该OSCs的Rs最低为803.86 Ω,这也再次证明Mg作为CL降低了阴极界面接触电阻,从而提高了基于SubPc/C60的双结叠层OSCs的PCE,为3.21%。与采用Al作为CL的OSCs相比(2.66%),PCE增加了20.7%。由于有机小分子叠层OSCs所使用的不同的激子阻挡层材料都具有相似的LUMO和HOMO能级结构,因此,Al IL层和Mg CL层在小分子叠层OSCs中具有普遍适用性。表3 引入不同CL的TOSCs的性能参数Tab.3 Photovoltaic parameters of the TOSCs with different CLs CL Voc/V JSC/(mA·cm-2) FF/% PCE/% RS/Ω Mg 2.16 2.50 59.46 3.21 803.86 Al 2.15 2.10 58.92 2.66 1 046.35 Ca 2.16 2.35 58.12 2.95 894.84
【参考文献】：
期刊论文
[1]表面等离子体-微腔激元对顶入射有机薄膜太阳能电池光吸收效率的增强[J]. 金玉,王康,邹道华,吴志军,相春平. 发光学报. 2017(11)
[2]TiO2阴极缓冲层对Rubrene/C70有机太阳能电池性能的改善[J]. 张利忠,吴明晓,田金鹏,吴步军,谢伟广,刘彭义. 发光学报. 2017(03)
本文编号：2930801
【文章来源】：发光学报. 2020年02期 北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
叠层有机太阳能电池结构示意图
图2(a)所示为采用Mg、Ag、Al或Ca纳米粒子IL的叠层OSCs的J-V曲线,表1为OSCs相应的性能参数。从J-V曲线可以看出,采用不同IL的叠层OSCs的开路电压(Voc)各不相同,其中没有IL的叠层OSCs,其Voc最小为1.74 V,并具有较大的串联电阻(Rs),Rs=15 095.60 Ω,PCE仅为2.1%。这主要是由于前后子电池之间没有形成良好的欧姆接触。当引入低功函数金属纳米粒子IL后,叠层OSCs的Voc和填充因子(FF)都得到明显的优化。其中采用Ag纳米粒子作为IL的OSCs,其Voc增加到了2.16 V;Al纳米粒子作为IL的叠层OSCs,其填充因子增加到了60.74%,Rs最小为666.72 Ω,并且该电池表现出了最高的PCE,为3.16%。叠层OSCs性能的提升主要归因于低功函数的金属纳米粒子IL能够有效复合来自上、下电池的电子和空穴,形成良好的欧姆接触,降低OSCs的串联电阻,减少了电势损失,进而使得双结叠层OSCs的性能得到了明显的提升。因此我们选择Al纳米粒子作为IL,并对其厚度进行优化。表1 引入不同IL的TOSCs的性能参数Tab.1 Photovoltaic parameters of the TOSCs with different ILs IL Voc/V Jsc/(mA·cm-2) FF/% PCE/% Rs/Ω 无 1.74 2.44 49.52 2.10 15 095.60 Mg 2.15 2.38 49.66 2.54 8 910.17 Ag 2.16 2.48 53.64 2.88 2 641.55 Al 2.15 2.42 60.74 3.16 666.72 Ca 2.15 2.41 50.07 2.59 19 034.00
为了进一步优化双结叠层OSCs的性能,我们研究了CL对器件性能的影响,在已优化的IL为0.1 nm Al的基础上,在叠层OSCs引入CL为3 nm厚的金属Mg、Al或Ca,相应的器件结构为:ITO/MoO3(5 nm)/SubPc(20 nm)/C60(25 nm)/BCP(4 nm)/Al(0.1 nm)/MoO3(5 nm)/SubPc(20 nm)/C60(25 nm)/BCP(4 nm)/CL/Ag(100 nm)。图3为采用不同金属CL的叠层OSCs的J-V曲线,表3为器件相应的性能参数。从J-V曲线可以看出,采用Mg、Al或Ca的CL的3组OSCs的Voc基本相同,这是因为IL和CL界面都形成了良好的欧姆接触,而Voc仅由给体材料的最高占据分子轨道(The highest occupied molecular orbital,HOMO)和受体材料的最低未占据分子轨道(The lowest unoccupied molecular orbital,LUMO)能级之间的能极差所决定[18-19],但这3组器件的给体材料与受体材料未发生改变,所以器件的开路电压接近。而3组电池的Jsc却有很大的差别,其中采用Mg作为CL材料的电池有最高的Jsc,为2.50 mA/cm2。这是因为加入Mg材料的CL降低了激子阻挡层BCP与阴极Ag界面的势垒,使得阴极收集电子的能力增强。同时与其他两组OSCs对比,该OSCs的Rs最低为803.86 Ω,这也再次证明Mg作为CL降低了阴极界面接触电阻,从而提高了基于SubPc/C60的双结叠层OSCs的PCE,为3.21%。与采用Al作为CL的OSCs相比(2.66%),PCE增加了20.7%。由于有机小分子叠层OSCs所使用的不同的激子阻挡层材料都具有相似的LUMO和HOMO能级结构,因此,Al IL层和Mg CL层在小分子叠层OSCs中具有普遍适用性。表3 引入不同CL的TOSCs的性能参数Tab.3 Photovoltaic parameters of the TOSCs with different CLs CL Voc/V JSC/(mA·cm-2) FF/% PCE/% RS/Ω Mg 2.16 2.50 59.46 3.21 803.86 Al 2.15 2.10 58.92 2.66 1 046.35 Ca 2.16 2.35 58.12 2.95 894.84
【参考文献】：
期刊论文
[1]表面等离子体-微腔激元对顶入射有机薄膜太阳能电池光吸收效率的增强[J]. 金玉,王康,邹道华,吴志军,相春平. 发光学报. 2017(11)
[2]TiO2阴极缓冲层对Rubrene/C70有机太阳能电池性能的改善[J]. 张利忠,吴明晓,田金鹏,吴步军,谢伟广,刘彭义. 发光学报. 2017(03)
本文编号：2930801
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