404 高效混合太阳能电池 - Materials Views 中国

高效混合太阳能电池

混合太阳能电池可以将有机和无机太阳能电池的优点结合起来:例如有机太阳能电池的溶液合成以及低成本、无机太阳能电池的形态稳定性等。

在混合太阳能电池所使用的有机半导体材料中,光激发并不直接产生光伏效应所需要的自由载流子。当光被吸收之后,会在电子施主和受主材料的界面激发产生自由载流子。这个激发过程往往衰减地很快,作用距离比较短。所以当激发在施主/受主界面之间几个纳米的距离发生时,会得到最高的量子效率。鉴于这个原因,在大量的有机或混合太阳能电池当中,都是将施主和受主材料紧密地混合在一起。

S. D. Oosterhout和同事们最近报道了利用功能化的高分子侧链来控制薄膜的形貌,进而控制混合太阳能电池的性能的工作。他们研究了将氧化锌同两种不同的高分子混合起来得到的薄膜材料(poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)  ~ P3HT和酯功能化的 poly[(3-hexylthiophene-2,5-diyl)-co-(3-(2-acetoxyethyl)thiophene-2,5-diyl)] ~ P3HT-E)。显微观察发现氧化锌/ P3HT-E薄膜的表面平整度和畴结构的均匀性都要优于氧化锌/ P3HT薄膜。这种更为紧密的混合对经过酯功能化的高分子是有益的。大的高分子畴结构对于太阳能电池来说并不好,因为它们会强烈地吸收可见光,但是产生的激发在到达边界之前就衰减消耗掉了,无法产生自由载流子。光谱的研究也发现酯功能化的薄膜比单纯的高分子薄膜结晶度更低,表明是官能团导致了薄膜形貌的变化。

研究人员还对使用这两种氧化锌/高分子薄膜制备的光伏器件进行了检测。他们发现对于比较薄的器件(有效层约50nm厚),经过酯功能化的高分子薄膜使器件的性能有了全面的提高:包括电流强度以及能源转化效率等。但是,对于厚一些的器件,更为精细的形貌会降低空位的活动能力,使得电子的迁移和载流子的收集都更加困难。所以增加薄膜的厚度并不能提高提高酯功能化高分子器件的性能。但是,在特定的条件下,通过向材料中加入特殊的官能团是可以提高器件的性能的。

S. D. Oosterhout, et al. Adv. Energy Mater., 2010 ; DOI: 10.1002/aenm.201000022

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