A light-emitting organic solar cell (LE-OSC) with electroluminescence (EL) and photovoltaic (PV) properties is successfully fabricated by connecting the EL and PV units using a MoO₃:Al co-evaporation interfacial layer, which has suitable work function and good transmittance. PV and EL units are fabricated based on poly(3-hexylthiophene) (P3HT)-indene-C60 bisadduct (IC60BA) blends, and 4,4′-bis (N-carbazolyl) biphenyl-factris (2-phenylpyridine) iridium (Ir(ppy)3), respectively. The work function and the transmittance of the MoO₃:Al co-evaporation are measured and adjusted by the ultraviolet photoelectron spectroscopy and the optical spectrophotometer to obtain the better bi-functional device performance. The forward- and reverse-biased current density-voltage characteristics in dark and under illumination are evaluated to better understand the operational mechanism of the LE-OSCs. A maximum luminance of 1550 cd/m² under forward bias and a power conversion efficiency of 0.24% under illumination (100 mW/cm²) are achieved in optimized LE-OSCs. The proposed device structure is expected to provide valuable information in the film conditions for understanding the polymer blends internal conditions and meliorating the film qualities.

通过刮涂制备薄膜衬底和真空蒸镀有机小分子材料来构筑复合界面传输层, 制备了大面积有机太阳能电池模组器件。通过透射光谱、传输层粗糙度形貌、表面浸润性、不同衬底的光吸收层粗糙度形貌、刮涂的均匀性研究了同传输层对OSCs器件性能的影响。实验结果表明, 当在AZO衬底表面蒸镀一层电子致密层时, 即新型复合传输层并未影响基片在300~900 nm范围内的透过率, 并且BPhen电子致密层可以有效地提高基片表面的平整度和浸润性, 这也有利于后续光吸收层溶液的刮涂, 提高涂膜的质量和稳定性。通过不同基底刮涂光吸收层薄膜表面粗糙度以及形貌图, 其新型复合传输层作为衬底刮涂出的光吸收层薄膜的表面粗糙度有了明显的降低, 表明平整的基底有利于刮涂出表面均一的薄膜。由此制备的基于新型复合传输层的刚性、柔性模组器件的开路电压(Voc)、短路电流密度(Jsc)和填充因子(FF)都有大幅度的提高。最终制备的新型刚性模组器件光电转化效率(PCE)提高到10.62%, 提升了约13%;柔性模组器件的光电转化效率(PCE)达到5.13%, 提升了32%。

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%。

以苯并二茚并二噻吩(IDT)为给体(D)单元, 二氰基茚酮(IC)为受体(A)单元, 合成了四个A-D-A型非富勒烯受体小分子。通过调节IDT结构单元上烷基取代基链的长度(-C6H13, -C8H17, -C10H21和C16H33), 系统研究了分子热学性质、光学性质、能级结构及光伏性能随烷基链长度的变化规律。测试结果表明, 烷基链长度的变化对分子的热稳定性、HOMO能级、最大吸收峰值和吸收范围并没有很大的影响, 但随着烷基链变短, 分子的摩尔消光系数变弱、结晶性升高。基于PBDB-T∶C8-IDT-IC的光伏器件显示了较高的光电转换效率, 达5.90%, 而PBDB-T∶C16-IDT-IC的器件效率最低, 表明烷基取代基链长度对材料的光伏性能具有一定影响。

把包裹SiO2的金纳米棒(Au NRs@SiO2)掺杂到有机太阳能电池的活性层中, 利用表面等离子体共振效应来增强活性层对光的吸收, 从而提高有机太阳能电池的能量转换效率。研究了不同掺杂浓度和不同包裹厚度对电池性能的影响。结果表明, 掺杂浓度为1.5%时, 器件性能最佳, 能量转换效率达到4.02%; SiO2壳层厚度为3 nm时, 转换效率达到4.38%, 较标准电池提升了29.2%。

利用叠层一维光子晶体提高半透明有机太阳能电池的光电转换效率和调控器件的透视颜色.采用传输矩阵法计算了基于叠层一维光子晶体的半透明有机太阳能电池中活性层的吸收光谱和器件的透过率光谱, 进而计算了器件的光电转换效率和透视颜色.研究结果表明, 通过合理设计叠层一维光子晶体中顶光子晶体和底光子晶体的禁带中心波长, 可以将器件的光电转换效率提高24.4%.此外, 通过控制顶光子晶体和底光子晶体的禁带中心波长, 可以调控半透明有机太阳能电池的透视颜色, 获得透视颜色分别为蓝色、绿色和红色的半透明电池器件.与单层一维光子晶体相比, 叠层一维光子晶体可以使器件获得更高的光电转换效率, 并能在更大光谱范围内调控器件的透视颜色.

微结构表面设计是提高太阳能电池光电转换效率的主要方法之一。微结构可以增加入射光的吸收率, 减小反射率, 达到提高太阳能电池光电转换效率的目的。本文采用全息光刻和湿法刻蚀技术在ITO玻璃片上制备周期为300 nm的孔阵图形, 以P3HT和PCBM作为电池活性层的给体材料和受体材料。实验结果表明微结构可以提高ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al有机太阳能电池光电转换效率。当孔阵图形刻蚀深度达到60 nm时, 光电转换效率提高了约8 %。实验证实, 孔阵图形的采用增加了入射光的吸收, 提高了太阳能电池光电转换效率。

I-V曲线是最基本也是最重要的表征太阳能电池性能的方法。而在有机小分子器件中,各个界面的物理过程发挥至关重要的作用。因此,着重研究界面物理过程对于I-V曲线的影响。在实验中证实了S形I-V曲线来自于ITO/有机界面的衰减,并且提出了一个改良的器件等效电路模型。进一步地,在ITO/有机界面处插入MoOx层会显著地抑制界面势垒的产生,避免了S形I-V曲线的出现,从而极大地延长了器件的寿命。还发现给体材料 CuPc与受体材料C60中激子产生的光电流对负向偏压的响应完全不同,通过实验提出了在C60 层中三态激子-电子相互作用是导致这个现象的主要物理机制。

以紫外臭氧处理超薄Ag复合MoO3或PEDOT∶PSS修饰ITO电极的高效柔性有机太阳能电池。通过优化紫外臭氧处理Ag薄膜的时间, 提高了以P3HT∶PCBM为有源层的器件的功率转换效率, 从1.68%(未经过紫外臭氧处理)提高到2.57%(紫外臭氧处理Ag 1 min)。提高的原因推测是紫外臭氧处理形成了AgOx薄膜, 提高了电荷提取并使器件具有高光学透明度、低串联电阻和优异的表面功函数等一些性能。并且, 紫外臭氧处理Ag薄膜与MoO3或者PEDOT∶PSS复合修饰ITO的器件效率分别得到提高, Ag薄膜与MoO3复合修饰ITO的器件效率从2.02%(PET/ITO/MoO3)提高到2.97%(PET/ITO/AgOx/MoO3), Ag薄膜与PEDOT∶PSS复合修饰ITO的器件效率从2.01%(PET/ITO/PEDOT∶PSS)提高到2.93%(PET/ITO/AgOx/PEDOT∶PSS)。此外, 以PBDTTT-EFT∶PC71BM为有源层的柔性聚合物太阳能电池效率可达6.21%。基于ITO的柔性光电器件效率的提高主要归于ITO被Ag/PEDOT∶PSS 或 Ag/MoO3修饰后功函数的提高。