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有机聚合物薄膜太阳能电池具有重量轻,制作工艺简单,成本低以及可以制备在柔性衬底上等优点,已经成为太阳能电池研究的焦点。但是,同商业化的硅电池相比,有机聚合物薄膜太阳能电池的能量转换效率仍然有待提高。这主要是由于共轭聚合物材料通常具有较窄的吸收谱带,与太阳光光谱不匹配导致吸收光的效率较低。另外,即使能量高于共轭聚合物带隙的光子能够被全部吸收,处于高激发态的激子要以释放热的方式回到最低激发态实现电荷分离,这样很多能量就被损失掉。因此采用吸光范围不同的共轭聚合物材料制备叠层太阳能电池就可以解决这一问题,提高光伏电池的能量转换效率。本论文以叠层结构聚合物薄膜太阳能电池为研究对象,重点研究叠层方式、中间连接单元性质等因素对叠层聚合物光伏电池性能的影响,为发展高效叠层聚合物太阳能电池提供科学依据和有效实施途径。主要研究成果及创新点如下:
1.无机金属氧化物作为中间连接层的串联结构的叠层聚合物薄膜太阳能电池。设计了一种由电子传输层Tiox、金属层Al和空穴传输层MoO3组成的中间连接层,该结构具有较高的光透过率,并且可以很好的实现聚合物光伏电池的串联连接。研究发现:中间层Al不仅充当电荷的复合中心,而且改善了TiOx/MoO3界面处的能级排列。与仅用TiOx/MoO3作为中间连接层的器件相比,用TiOx/Al/MoO3可以实现器件开路电压的叠加。利用优化后的该中间连接层,采用吸光范围不同的活性层材料制备的叠层器件,其开路电压为两子电池开路电压之和,达到1.12V,能量转换效率较两子电池均有所提高,达到2.92％。
2.全溶液旋涂的叠层聚合物薄膜太阳能电池。我们采用TiOx和PEDOT组合作为中间连接层,其中TiOx作为电子传输层,PEDOT作为空穴传输层。由于润湿性质的不同,PEDOT很难在TiOx上直接旋涂成膜,我们通过在TiOx中添加了不同比例的乙醇胺减小了TiOx薄膜对水溶液的接触角,改善了PEDOT在其上的成膜性。研究发现少量乙醇胺的加入增加了TiOx的电导率,减少了器件的串联电阻,增大了器件的短路电流。进一步利用高电导率PEDOT(PH500)代替低电导率的PEDOT(AI4083),器件性能有了明显提高。利用该中间连接层,采用吸收互补的材料作为子电池的活性层制备了叠层电池,通过对两子电池活性层厚度的优化,使两子电池短路电流匹配,从而提高叠层电池效率,优化后器件效率达5.4％。
3.倒置结构的串联型叠层聚合物薄膜太阳能电池。为了避免传统器件中使用PEDOT给器件带来的负面影响,我们采用MoO3/Ag/TiOx作为中间连接层,制备了倒置的叠层聚合物薄膜太阳能电池。系统研究了空穴传输层MoO3与金属顶电极Al、Ag的相互作用对倒置单层器件性能的影响,发现MoO3与Al电极之间存在由Al到MoO3的电子转移,该相互作用形成了一个由Al指向MoO3的界面偶极,不利于空穴在顶电极的收集,导致用Al做电极的器件性能较Ag做电极的器件差。我们用MoO3/Ag/TiOx作为中间连接层、吸收互补的材料作为两子电池活性层制备了倒置结构的叠层器件,其开路电压为子电池开路电压之和,效率为3.7％,较子电池有所提高。
4.并联结构的叠层聚合物薄膜太阳能电池。我们用MoO3/Al/Ag/MoO3作为并联结构叠层电池的中间电极,具有不同吸收光谱的材料分别作为两子电池的光敏层,在同一基底上制备出了并联连接的叠层聚合物薄膜太阳能电池。并且通过对器件结构的设计,在同一器件中可直接测试两子电池在叠层结构中的性能,这就更有利于我们对叠层器件的研究。并联叠层电池的短路电流(11.32mA/cm2)和能量转换效率(3.1％)分别为两子电池的短路电流(6.49 mA/cm2和4.25 mA/cm2)和能量转换效率(1.45％和1.24％)之和。并且叠层电池的外量子效率也为两子电池外量子效率的叠加。