利用原位實驗手段研究聚合物-鈣鈦礦太陽能電池內(nèi)部光伏過程.pdf

1、聚合物和鈣鈦礦太陽能電池因制備工藝簡單、結(jié)構(gòu)可設(shè)計、成本低、柔性等優(yōu)點受到國內(nèi)外科學(xué)工作者的廣泛關(guān)注。目前，聚合物和鈣鈦礦太陽能電池在研究與應(yīng)用方面均取得了很大的進(jìn)展，這些最新的研究進(jìn)展表明我們需要從根本上對聚合物和鈣鈦礦太陽能電池進(jìn)行更深入地研究：深刻揭示在器件工作條件下器件內(nèi)部光伏過程。這有利于更加深入理解控制光吸收、電荷分離、電荷傳輸和收集的關(guān)鍵物理參數(shù)，推動聚合物/鈣鈦礦太陽能電池的進(jìn)一步發(fā)展。本論文主要利用光誘導(dǎo)介電響應(yīng)、瞬態(tài)

2、光電流、電場誘導(dǎo)光致發(fā)光淬滅、掃描開爾文探針顯微鏡等原位實驗手段，研究器件工作狀態(tài)下激發(fā)態(tài)分離、電荷傳輸、電荷收集的動態(tài)過程，揭示控制光吸收、短路電流、開路電壓中的增益和損耗過程。主要結(jié)論如下：
　　通過光吸收和電容-電壓實驗手段研究熱退火對P3HT:PCBM器件內(nèi)部電極化的影響。研究發(fā)現(xiàn)，熱退火增加P3HT:PCBM混合薄膜的光吸收系數(shù)，增加聚合物P3HT結(jié)晶和受體分子PCBM的聚集，改善給體受體交叉互穿網(wǎng)絡(luò)，提高器件性能。吸收

3、系數(shù)的增加表明P3HT:PCBM薄膜極化強度的增強，從而有利于給體-受體界面電荷載流子的產(chǎn)生和載流子向各自電極的傳輸。該研究表明電極化是控制器件內(nèi)部光伏過程的重要參數(shù)。
　　通過光強依賴的電流-電壓和光誘導(dǎo)介電響應(yīng)研究電荷傳輸層對聚合物太陽能電池電荷積累和電荷收集的影響。研究發(fā)現(xiàn)，低電導(dǎo)率傳輸層器件填充因子隨光強增大而持續(xù)降低，表明器件中存在嚴(yán)重的電荷復(fù)合。高電導(dǎo)率傳輸層可以降低器件電極界面的電荷積累，增加電荷傳輸以及電極界面電荷

4、載流子的收集，從而提高器件性能。
　　從體內(nèi)和界面相互耦合角度揭示鈣鈦礦太陽能電池中的光浸泡(light soaking)和遲滯(hysteresis)效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦太陽能電池中存在hysteresis效應(yīng)和可逆的light soaking現(xiàn)象，該現(xiàn)象可以減小電極界面電荷積累，增加器件的開路電壓。light soaking可以通過光生電子中和帶正電缺陷來減少鈣鈦礦薄膜內(nèi)電荷缺陷密度，這將產(chǎn)生更多有效的傳輸通道，增強電荷收集

5、，導(dǎo)致填充因子增加。同時，light soaking可以減小鈣鈦礦薄膜的體內(nèi)極化，降低器件總的電荷分離，增加電荷復(fù)合，從而導(dǎo)致短路電流減小。研究結(jié)果表明，界面電極化和體內(nèi)電極化通過電荷輸運場相互耦合，相互協(xié)調(diào)地控制鈣鈦礦電池中的light soaking和hysteresis現(xiàn)象。
　　利用界面修飾層PEIE減弱鈣鈦礦電池中的light soaking和hysteresis效應(yīng)。電場誘導(dǎo)光致發(fā)光淬滅和電容-電壓實驗給出PEIE在P

6、CBM/Al之間形成界面偶極的直接證據(jù)。界面偶極能夠增強器件內(nèi)部有效電場，從而增加電荷分離，傳輸和收集，提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率(12.62％)。另外，界面偶極可以減小電極界面空穴積累和鈣鈦礦薄膜內(nèi)的離子遷移，從而減弱器件的light soaking和hysteresis效應(yīng)。
　　通過瞬態(tài)光電流和不同光強下電流-電壓研究添加劑對鈣鈦礦太陽能電池電荷復(fù)合的影響。研究發(fā)現(xiàn)：添加劑DIO可以增強鈣鈦礦薄膜的吸收強度和表面電勢，這說明DI