Ag-ZnO混合薄膜在聚合物太阳能电池中的应用
发布时间：2021-12-19 10:50
采用旋涂法研制了Ag浆SC100-ZnO混合薄膜,系统研究了不同混合比例SC100∶ZnO薄膜作为电子传输层或光散射层对聚合物太阳能电池器件性能的影响,并讨论了其中存在的物理机制。研究发现,采用少量SC100（1%和2.5%）混合的薄膜作为光散射层,可以提高器件的性能参数（短路电流密度和填充因子）,器件的光电转换效率分别提高了4.4%和5%。
【文章来源】：发光学报. 2020,41(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
不同混合比例SC100∶ZnO作为电子传输层的J-V特性曲线(a)与 EQE光谱(b)
基于上述实验,我们首先尝试将SC100∶ZnO薄膜作为阴极电子传输层引入有机太阳能电池中,制备了结构如图3所示的聚合物太阳能电池。为了找到最佳制备条件,我们制备了不同混合比例SC100∶ZnO薄膜作为电子传输层的器件。 图4给出了这些器件的J-V及EQE曲线,器件的性能参数列于表1中。当采用纯的ZnO作为阴极电子传输层时(0%),器件的开路电压Voc为0.75 V,短路电流密度Jsc为12.93 mA/cm2,填充因子FF为0.55,能量转换效率PCE为5.31%。随着1%、2.5%、5% SC100混合比例增加时,器件的开路电压逐渐降低至0.56 V,FF降低至0.35,器件能量转换效率降低至2.17%,比参比器件降低了60%,并没有实现预计的增加光吸收的作用。为了找到器件性能变差的原因,我们进一步计算了上述器件的串联电阻,发现随着混合比例的增加,器件的串联电阻逐渐增大,由参比器件的10 Ω·cm2增加到5%混合器件的21 Ω·cm2,这主要是由于Ag和吸光层的直接接触导致激子猝灭,器件中的非辐射复合增强,引起电压衰减,且随着混合比例的增加,导致SC100∶ZnO薄膜的粗糙度增加,从而使得SC100∶ZnO薄膜与光敏层之间接触电阻增大,进而影响电子的传输和收集,最终导致器件性能降低。图4 不同混合比例SC100∶ZnO作为电子传输层的J-V特性曲线(a)与 EQE光谱(b)
我们又尝试将SC100∶ZnO薄膜作为光散射层应用于有机太阳能电池中,制备了如图5所示的聚合物太阳能电池器件。这次我们没有直接将SC100∶ZnO薄膜引入器件功能层中,而是将其作为光散射层制备在ITO玻璃电极的另外一侧,避免了由于SC100∶ZnO薄膜粗糙度大带来的器件内阻的增加。 图6给出了不同混合比例SC100∶ZnO薄膜作为光散射层的器件的J-V及EQE曲线,对应的器件性能参数列于表2中。对于不加光散射层的器件,其开路电压、短路电流密度、填充因子和能量转换效率分别为0.77 V、14.61 mA/cm2、0.56和6.35%。当采用混合比例为1%的薄膜作为光散射层后,器件的开路电压保持不变,短路电流密度和填充因子略有增加,所以器件的能量转换效率有所提高(6.63%);当混合比例增加到2.5%时,开路电压仍然保持不变,短路电流密度略微降低,填充因子略微增加,器件的能量转换效率基本不变(6.67%);当混合比例进一步增加到5%和10%时,器件的短路电流密度和填充因子明显降低,导致器件效率降低(6.35%和5.84%)。通过器件EQE谱图可以看出,混合1%的器件在450～600 nm波长的EQE比参比器件略微提高,即对应的短路电流密度提高。这可能是由于SC100∶ZnO薄膜在一定程度上减弱了入射到光敏层上的光强度,从而在一定程度抑制了光敏层内部的双分子复合,进而提高了器件的短路电流密度和填充因子[19-20];而当混合比例逐渐提高,器件的EQE在400～600 nm波段的光谱响应逐渐降低,这主要是由于SC100在该波长范围具有SPR 吸收(图1),当SC100比例增加时,SPR 吸收增加,从而降低了光敏层在该范围的吸收;而同样是由于SC100∶ZnO薄膜对光在一定程度的吸收和散射,使得入射到器件内部的光强减弱,从而在一定程度上减少了器件内部双分子复合,提高了器件的填充因子;但是当混合比例较大时(10%),散射层又严重影响了器件内部光生载流子的产生,从而降低了器件性能。图6 SC100∶ZnO作为光散射层的J-V特性曲线(a)与 EQE光谱(b)
【参考文献】：
期刊论文
[1]PbSe量子点调控的聚合物太阳能电池性能[J]. 张梁,孙强,朱阳阳,王璐,谢强,王丽娟. 发光学报. 2019(10)
[2]铜铟镓硒薄膜太阳能电池新型图形化透明前电极研究[J]. 郭凯,张传升. 发光学报. 2019(02)
[3]基于金纳米棒@二氧化硅表面等离子体共振增强的有机太阳能电池[J]. 李雪,张然,袁新芳,熊建桥,陈淑芬. 发光学报. 2018(11)
[4]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)
[5]利用蛾眼结构提高有机太阳能电池光吸收效率的理论研究[J]. 白昱,郭晓阳,刘星元. 发光学报. 2015(05)
本文编号：3544283
【文章来源】：发光学报. 2020,41(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
不同混合比例SC100∶ZnO作为电子传输层的J-V特性曲线(a)与 EQE光谱(b)
基于上述实验,我们首先尝试将SC100∶ZnO薄膜作为阴极电子传输层引入有机太阳能电池中,制备了结构如图3所示的聚合物太阳能电池。为了找到最佳制备条件,我们制备了不同混合比例SC100∶ZnO薄膜作为电子传输层的器件。 图4给出了这些器件的J-V及EQE曲线,器件的性能参数列于表1中。当采用纯的ZnO作为阴极电子传输层时(0%),器件的开路电压Voc为0.75 V,短路电流密度Jsc为12.93 mA/cm2,填充因子FF为0.55,能量转换效率PCE为5.31%。随着1%、2.5%、5% SC100混合比例增加时,器件的开路电压逐渐降低至0.56 V,FF降低至0.35,器件能量转换效率降低至2.17%,比参比器件降低了60%,并没有实现预计的增加光吸收的作用。为了找到器件性能变差的原因,我们进一步计算了上述器件的串联电阻,发现随着混合比例的增加,器件的串联电阻逐渐增大,由参比器件的10 Ω·cm2增加到5%混合器件的21 Ω·cm2,这主要是由于Ag和吸光层的直接接触导致激子猝灭,器件中的非辐射复合增强,引起电压衰减,且随着混合比例的增加,导致SC100∶ZnO薄膜的粗糙度增加,从而使得SC100∶ZnO薄膜与光敏层之间接触电阻增大,进而影响电子的传输和收集,最终导致器件性能降低。图4 不同混合比例SC100∶ZnO作为电子传输层的J-V特性曲线(a)与 EQE光谱(b)
我们又尝试将SC100∶ZnO薄膜作为光散射层应用于有机太阳能电池中,制备了如图5所示的聚合物太阳能电池器件。这次我们没有直接将SC100∶ZnO薄膜引入器件功能层中,而是将其作为光散射层制备在ITO玻璃电极的另外一侧,避免了由于SC100∶ZnO薄膜粗糙度大带来的器件内阻的增加。 图6给出了不同混合比例SC100∶ZnO薄膜作为光散射层的器件的J-V及EQE曲线,对应的器件性能参数列于表2中。对于不加光散射层的器件,其开路电压、短路电流密度、填充因子和能量转换效率分别为0.77 V、14.61 mA/cm2、0.56和6.35%。当采用混合比例为1%的薄膜作为光散射层后,器件的开路电压保持不变,短路电流密度和填充因子略有增加,所以器件的能量转换效率有所提高(6.63%);当混合比例增加到2.5%时,开路电压仍然保持不变,短路电流密度略微降低,填充因子略微增加,器件的能量转换效率基本不变(6.67%);当混合比例进一步增加到5%和10%时,器件的短路电流密度和填充因子明显降低,导致器件效率降低(6.35%和5.84%)。通过器件EQE谱图可以看出,混合1%的器件在450～600 nm波长的EQE比参比器件略微提高,即对应的短路电流密度提高。这可能是由于SC100∶ZnO薄膜在一定程度上减弱了入射到光敏层上的光强度,从而在一定程度抑制了光敏层内部的双分子复合,进而提高了器件的短路电流密度和填充因子[19-20];而当混合比例逐渐提高,器件的EQE在400～600 nm波段的光谱响应逐渐降低,这主要是由于SC100在该波长范围具有SPR 吸收(图1),当SC100比例增加时,SPR 吸收增加,从而降低了光敏层在该范围的吸收;而同样是由于SC100∶ZnO薄膜对光在一定程度的吸收和散射,使得入射到器件内部的光强减弱,从而在一定程度上减少了器件内部双分子复合,提高了器件的填充因子;但是当混合比例较大时(10%),散射层又严重影响了器件内部光生载流子的产生,从而降低了器件性能。图6 SC100∶ZnO作为光散射层的J-V特性曲线(a)与 EQE光谱(b)
【参考文献】：
期刊论文
[1]PbSe量子点调控的聚合物太阳能电池性能[J]. 张梁,孙强,朱阳阳,王璐,谢强,王丽娟. 发光学报. 2019(10)
[2]铜铟镓硒薄膜太阳能电池新型图形化透明前电极研究[J]. 郭凯,张传升. 发光学报. 2019(02)
[3]基于金纳米棒@二氧化硅表面等离子体共振增强的有机太阳能电池[J]. 李雪,张然,袁新芳,熊建桥,陈淑芬. 发光学报. 2018(11)
[4]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)
[5]利用蛾眼结构提高有机太阳能电池光吸收效率的理论研究[J]. 白昱,郭晓阳,刘星元. 发光学报. 2015(05)
本文编号：3544283
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