裴 娟,曹榮璽,郝彥忠,孫 寶,李英品,張 賽,杜靜文
(河北科技大學(xué)理學(xué)院,河北石家莊 050018)
1008-1542(2017)05-0486-07
10.7535/hbkd.2017yx05012
異質(zhì)結(jié)表/界面修飾對雜化太陽電池性能的優(yōu)化
裴 娟,曹榮璽,郝彥忠,孫 寶,李英品,張 賽,杜靜文
(河北科技大學(xué)理學(xué)院,河北石家莊 050018)
為了增進(jìn)無機(jī)半導(dǎo)體和有機(jī)聚合物半導(dǎo)體之間的相容性,優(yōu)化電池的光電性能,基于一維無機(jī)TiO2納米棒有序陣列和有機(jī)聚合物PCPDTBT,構(gòu)建了一種結(jié)構(gòu)為TiO2/PCPDTBT的雜化太陽電池。用一種有機(jī)三苯胺類兩親分子來調(diào)控此無機(jī)、有機(jī)材料的兩相表/界面性質(zhì)。采用SEM,TEM,XRD,EDS,UV-vis,PL等方法對雜化膜電極進(jìn)行表征。電池性能測試表明,表/界面修飾后太陽電池的性能得到提高,電池效率η為0.81%;開路電壓衰減測試表明,異質(zhì)結(jié)表/界面經(jīng)修飾后,雜化太陽電池的電子壽命有所提高。因此,通過異質(zhì)結(jié)表/界面修飾改善活性層的形貌結(jié)構(gòu)對電池性能有重要影響。
太陽能;雜化太陽電池;表/界面修飾;激子分離;電子壽命;光電性能
煤炭、石油等不可再生能源的短缺及其使用過程中帶來的環(huán)境污染,使能源和環(huán)境問題成為制約國際社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。越來越多的國家開始實(shí)行“陽光計(jì)劃”,開發(fā)利用太陽能資源,尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動力。研制太陽能電池,實(shí)現(xiàn)光能到電能的轉(zhuǎn)化,成為目前極具發(fā)展前景的研究方向之一。
無機(jī)/有機(jī)雜化太陽電池(hybrid solar cell,簡寫為HSC)的光吸收層由無機(jī)半導(dǎo)體和有機(jī)聚合物半導(dǎo)體組成[1-2]?;钚詫拥男蚊步Y(jié)構(gòu)是影響電荷分離、傳輸、復(fù)合以及電池性能的重要因素[3]。目前,活性層多采用無機(jī)、有機(jī)材料混雜的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),以及具有直接電子傳輸通道的有序框架結(jié)構(gòu)[4]。從原理上講,光照射到活性層上時,產(chǎn)生光生激子;激子在有機(jī)聚合物內(nèi)遷移并只有遷移至有機(jī)、無機(jī)材料的異質(zhì)結(jié)界面處,在內(nèi)建電場的作用下才能發(fā)生有效的電荷分離[2]。然而,有機(jī)聚合物與無機(jī)納米材料之間的化學(xué)不相容問題的存在,使二者不能形成良好的接觸,從而導(dǎo)致低效率的電荷分離和嚴(yán)重的電荷復(fù)合[5-7]。通過改性處理無機(jī)半導(dǎo)體表面[8-10]、引入有機(jī)分子[2,11-12]、化學(xué)鍵合[13-14]等方法可以改善異質(zhì)結(jié)表/界面性質(zhì),從而優(yōu)化電池性能。
本研究基于一維無機(jī)TiO2納米棒有序陣列和有機(jī)聚合物聚[2,6-(4,4-雙-(2-乙基己基)-4H-環(huán)戊[2,1-b;3,4-b']-雙噻吩)-交替-4,7-(2,1,3-苯并噻二唑)](簡寫為PCPDTBT)兩種材料,構(gòu)建結(jié)構(gòu)為TiO2/PCPDTBT的雜化太陽電池,并用一種兩親性的有機(jī)三苯胺分子[15](Z)-2-(5-(4 -((4-(2,2-二苯基乙烯基)苯基)(苯基)氨基)亞芐基)-4-氧代-2-硫代噻唑烷-3-基)乙酸(簡寫為HM),作為表/界面修飾劑修飾異質(zhì)結(jié)的表/界面,旨在增進(jìn)無機(jī)半導(dǎo)體和有機(jī)聚合物半導(dǎo)體之間的相容性,減少無機(jī)半導(dǎo)體和有機(jī)聚合物的宏觀相分離,形成三維互穿導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),以優(yōu)化電池的光電性能[16-20]。
FTO導(dǎo)電玻璃(F-SnO2,武漢晶格太陽能科技有限公司提供);鈦酸四丁酯(Ti(OC4H9)4,天津市永大化學(xué)試劑有限公司提供);PEDOT:PSS(1.3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))水溶液,北京研諾信誠化工有限公司提供);PCPDTBT(Sigma-Aldrich公司提供);氯苯(分析純,阿法埃莎(天津)化學(xué)有限公司提供);Zonyl FS300表面活性劑(上海艦邦實(shí)業(yè)有限公司提供);有機(jī)三苯胺界面修飾分子HM,按照文獻(xiàn)[16]合成;鹽酸、丙酮、無水乙醇、乙腈(天津市永大化學(xué)試劑有限公司提供);實(shí)驗(yàn)中所用試劑均為分析純,未經(jīng)提純直接使用。
1.2.1 TiO2納米棒的制備
將面積為1.4 cm×4 cm的FTO導(dǎo)電玻璃先用洗衣粉水和水交替清洗,使導(dǎo)電玻璃表面無附著的顆粒物,然后依次用蒸餾水、丙酮、無水乙醇在超聲波清洗器中分別清洗30 min,放入燒杯中待用。
按照1∶1的體積比例,將濃鹽酸加入到去離子水中,均勻攪拌3 min,再緩慢滴加2 mL的鈦酸四丁酯,攪拌10 min。將洗凈的FTO玻璃導(dǎo)電面向下置于反應(yīng)釜內(nèi),緩慢倒入所制得的液體,在烘箱內(nèi)于150 ℃保溫20 h。反應(yīng)完成后,自然冷卻,取出玻璃片,用去離子水和無水乙醇分別沖洗干凈,放入烘箱內(nèi)于80 ℃烘干。最后將烘干的玻璃片放入馬弗爐中,空氣氣氛下于450 ℃煅燒30 min,得到FTO/TiO2電極。
1.2.2 有機(jī)分子在TiO2上的吸附
將燒結(jié)后的FTO/TiO2納米棒電極浸染到濃度為1×10-4mol/L的有機(jī)三苯胺分子HM的乙腈溶液中,浸泡12 h。取出后用純?nèi)軇_洗干凈,放入烘箱內(nèi),于90 ℃烘干,干燥后得到FTO/TiO2/HM電極。
1.2.3 雜化太陽電池的制作
電池的制作方法參考文獻(xiàn)[2]。將FTO/TiO2/HM電極先在質(zhì)量濃度為5 mg/mL的PCPDTBT/氯苯溶液中浸泡5 min,于60 ℃烘干。然后在勻膠機(jī)上,將質(zhì)量濃度為20 mg/mL的PCPDTBT/氯苯溶液滴在電極表面, 3 000 r/min旋轉(zhuǎn)50 s以制得FTO/TiO2/HM/PCPDTBT電極,并于60 ℃烘干,其表面呈藍(lán)色。
空穴傳輸材料PEDOT:PSS水溶液與PCPDTBT膜表面不相容,使PEDOT:PSS不能均勻鋪展。因此,將表面活性劑Zonyl FS300與PEDOT:PSS水溶液混合(體積比為1∶100),再將其以3 000 r/min的轉(zhuǎn)速均勻旋涂在FTO/TiO2/HM/PCPDTBT電極上,并于110 ℃烘干,即得FTO/TiO2/HM/PCPDTBT/PEDOT:PSS電極,呈現(xiàn)出藍(lán)色鏡面狀光滑表面。
在約5×10-5Pa高真空度下,在上述FTO/TiO2/HM/PCPDTBT/PEDOT:PSS電極表面熱蒸鍍金屬Au。制作的雜化太陽電池的結(jié)構(gòu)為 FTO/TiO2/HM/PCPDTBT/PEDOT:PSS/Au,電池結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。為說明采用表/界面修飾層HM的作用,亦按照上述方法制作了未經(jīng)修飾的空白對比電池,電池結(jié)構(gòu)為FTO/TiO2/PCPDTBT/PEDOT:PSS/Au。
圖1 雜化太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Illustration of the hybrid solar cell device architecture
采用S-4800-I場發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本Hitachi公司提供)和JEM-2100透視電子顯微鏡(Jeol型,產(chǎn)地為日本)觀察樣品的形貌、尺寸,進(jìn)行能譜分析;采用 D8-advance X射線衍射儀(德國Bruker 公司提供)檢測樣品的晶型;采用UV-3900紫外可見漫反射光譜儀(日本Hitachi公司提供)分析樣品的紫外-可見吸收光譜;采用JC2000C型接觸角測定儀對電極表面進(jìn)行接觸角測試,接觸角測試精密度為±0.5°;室溫下,采用愛丁堡FLS980型穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜儀,用409 nm激發(fā)光測試雜化膜電極FTO/PCPDTBT,F(xiàn)TO/TiO2/PCPDTBT和FTO/TiO2/HM/PCPDTBT的熒光發(fā)射、熒光衰減曲線;采用Solar Cell I-V Station 2000AAA (美國頤光Crowntech. Inc.提供)太陽光模擬器測試電池的光伏性能,用Keithley 2400數(shù)字源表記錄測試結(jié)果;采用CHI660D電化學(xué)工作站進(jìn)行雜化太陽電池的開路電壓衰減測試。
實(shí)驗(yàn)制備的TiO2納米棒陣列的形貌見圖2。從圖2 a)的掃描電鏡(SEM)照片可以看出,TiO2納米棒的生長較整齊均勻,納米棒頂部呈四方形狀,不圓潤,棒與棒之間存在空隙,便于后續(xù)聚合物的滲透。從圖2 b)的透射電鏡(TEM)照片可以看出,所示納米棒的直徑均勻,約為30 nm,并且棒表面光滑。
圖2 水熱法制備的TiO2納米棒陣列的SEM和TEM圖像Fig.2 Top-view SEM images and HR-TEM images of TiO2 nanorod arrays by hydrothermal method
圖3 TiO2納米棒陣列的XRD譜圖 Fig.3 XRD of TiO2 nanorod arrays
TiO2納米棒電極的XRD圖譜見圖3。除了基底SnO2產(chǎn)生的衍射峰外,其余的衍射峰位與金紅石相TiO2吻合(PDF No.21-1276),說明所制備的產(chǎn)物純凈、無雜質(zhì)。其中,在36.4°和62.7°的衍射峰分別歸屬于TiO2的(101)和(002)晶面,并且產(chǎn)物TiO2在c軸方向上定向取向。
在FTO/TiO2電極表面旋涂三苯胺有機(jī)分子即得到FTO/TiO2/HM電極。通過解吸附實(shí)驗(yàn)測定單位面積HM的吸附量為3.8×10-9mol/cm2。為了表明有機(jī)分子修飾層的光譜響應(yīng)情況,對FTO/TiO2和FTO/TiO2/HM電極進(jìn)行了吸收光譜測試,見圖4。對比發(fā)現(xiàn),F(xiàn)TO/TiO2在400 nm之前的紫外區(qū)有明顯吸收,F(xiàn)TO/TiO2/HM電極在400~600 nm出現(xiàn)寬吸收,證實(shí)了有機(jī)分子HM的存在。這一點(diǎn)亦可通過FTO/TiO2/HM納米棒電極的X射線能譜圖(EDS,見圖5)說明:浸染過HM后的TiO2薄膜上的物質(zhì)含有C,N,Ti,O和S元素,與TiO2和有機(jī)界面修飾劑HM中的元素相同,其中C和S元素的原子比是19∶1,符合有機(jī)分子HM分子式中的C和S的原子個數(shù)比,從而可以確定浸染在TiO2薄膜上的物質(zhì)就是有機(jī)分子HM。
在FTO/TiO2/HM電極表面旋涂有機(jī)聚合物PCPDTBT即得到FTO/TiO2/HM/PCPDTBT電極。為了表明PCPDTBT的光譜響應(yīng)情況,對FTO/TiO2/HM/PCPDTBT電極進(jìn)行了光譜測試(見圖4)。對比FTO/TiO2/HM電極發(fā)現(xiàn),F(xiàn)TO/TiO2/HM/PCPDTBT電極在600~800 nm出現(xiàn)寬吸收,對應(yīng)于PCPDTBT的響應(yīng),說明PCPDTBT的存在擴(kuò)寬了光譜響應(yīng),同樣有利于電池對太陽光的吸收和太陽能電池性能的改善。
圖4 FTO/TiO2,F(xiàn)TO/TiO2/HM和FTO/TiO2/HM/PCPDTBT電極的紫外吸收光譜Fig.4 UV-vis spectra of FTO/TiO2,F(xiàn)TO/TiO2/HM and FTO/TiO2/HM/PCPDTBT electrodes
圖5 FTO/TiO2/HM電極的EDS譜圖Fig.5 EDS of FTO/TiO2/HM electrodes
圖6 電極表面接觸角圖像Fig.6 Water contact angles on the electrodes surface
圖6為FTO/TiO2和FTO/TiO2/HM電極的表面接觸角測試結(jié)果。通過對比發(fā)現(xiàn),TiO2膜電極表面的接觸角為15.4°(<90°,見圖6 a)),說明水熱法制備的TiO2納米棒膜表面是親水性的,而此類型的表面很難與疏水性的有機(jī)聚合物PCPDTBT發(fā)生良好的接觸。但是在TiO2電極上吸附了有機(jī)分子修飾劑HM后,接觸角變?yōu)?10.5°(>90°,圖6 b))。從分子結(jié)構(gòu)角度分析,HM分子的親水性基團(tuán)羧基與親水性TiO2納米棒膜表面鍵合后,將疏水性基團(tuán)苯環(huán)甩向另一端,導(dǎo)致膜表面接觸角明顯變大,說明修飾后電極表現(xiàn)出疏水性。這種疏水性表面與有機(jī)聚合物PCPDTBT可以形成良好的接觸,抑制無機(jī)半導(dǎo)體和有機(jī)聚合物的宏觀相分離,為后續(xù)光生激子在異質(zhì)結(jié)界面的分離提供便利。
熒光光譜包括熒光激發(fā)譜和發(fā)射譜,激發(fā)譜和發(fā)射譜分別反映了分子由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)時吸收光子和分子由激發(fā)態(tài)返回到基態(tài)時釋放光子的信息。熒光光譜可以揭示光生自由載流子的傳遞、轉(zhuǎn)移過程,是目前研究半導(dǎo)體光電性質(zhì)的有力工具[21]。為了反映聚合物的熒光特性,在FTO導(dǎo)電玻璃上旋涂聚合物PCPDTBT,得到FTO/PCPDTBT空白電極(a1)。將實(shí)驗(yàn)制作的FTO/TiO2/PCPDTBT和FTO/TiO2/HM/PCPDTBT雜化電極定義為a2和a3。因?yàn)槲镔|(zhì)的熒光發(fā)射光譜是一定的,所以在某一波長下,全掃a1電極的熒光發(fā)射譜,發(fā)現(xiàn)a1電極在750~850 nm出現(xiàn)熒光發(fā)射,峰位在814 nm,故選取814 nm為發(fā)射波長。反過來測試a1電極的激發(fā)光譜(見圖7 a)),且激發(fā)譜峰位在409 nm。之后均在409 nm的光激發(fā)下,選取450 nm的濾光片,測試電極a1,a2和a3的熒光發(fā)射光譜,如圖7 a)所示。三電極的熒光發(fā)射主要來源于聚合物,其具有相似的發(fā)射光譜特征,但是發(fā)射強(qiáng)度呈現(xiàn)遞減的趨勢。與a1電極相比,a2電極中TiO2與PCPDTBT的異質(zhì)結(jié)界面處發(fā)生快速的電荷分離和傳輸,故聚合物的熒光淬滅加強(qiáng),發(fā)射強(qiáng)度降低;引入HM表/界面修飾層后,熒光強(qiáng)度進(jìn)一步降低,說明起 “橋梁”作用的HM修飾分子使電荷發(fā)生了更為有效的分離和轉(zhuǎn)移,電荷復(fù)合程度減弱。
瞬態(tài)熒光光譜能有效地表征待測樣品載流子的熒光壽命等物理參數(shù)[22]。圖7 b)為三電極a1,a2和a3的瞬態(tài)熒光衰減曲線。由圖7 b)可以看出,與a1電極相比,a2和a3的熒光衰減更快。熒光衰減曲線經(jīng)指數(shù)擬合后得到熒光壽命τ,分別為0.46,0.42和0.40 ns,其變化與熒光衰減的趨勢相同。熒光壽命越低,說明激子在有機(jī)聚合物中的解離以及電荷轉(zhuǎn)移傳遞越有效[23]。這與上述熒光發(fā)射譜的結(jié)果一致。
圖7 不同薄膜電極的穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光光譜Fig.7 Steady state photoluminescence spectra
圖8為異質(zhì)結(jié)表/界面修飾前后雜化太陽電池I-V的性能測試圖譜,電池性能參數(shù)列于表1。從表1中可以看出,未經(jīng)有機(jī)分子HM修飾的電池(Device A)的開路電壓為194 mV,短路電流密度為2.91 mA/cm2,填充因子FF為0.29,電池效率η僅為0.17%。當(dāng)異質(zhì)結(jié)表/界面經(jīng)過有機(jī)分子HM修飾后(Device B),各項(xiàng)光電性能參數(shù)都得到了顯著提高,其中電池的開路電壓為488 mV,短路電流密度為5.40 mA/cm2,填充因子FF為0.31,電池效率η提高到0.81%,電池效率提高了3.8倍。本文將通過開路電壓衰減測試結(jié)果進(jìn)行分析。
表1 不同雜化太陽電池的性能參數(shù)①
注:①all devices were under AM 1.5 simulated illumination (100 mW/cm); ②Device A:FTO/TiO2/PCPDTBT HSC;Device B:FTO/TiO2/HM/PCPDTBT HSC。
Device A—FTO/TiO2/PCPDTBT雜化電池;Device B—FTO/TiO2/HM/PCPDTBT雜化電池。圖8 光照下不同雜化太陽電池的I-V曲線Fig.8 I-V curves of different HSCs under sunshine
當(dāng)光照射在開路電池上,電子將同時發(fā)生注入和復(fù)合兩個過程,這時候電池很快會達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。電池穩(wěn)定后,電子有相同的注入和復(fù)合速率。當(dāng)撤掉光照時,膜內(nèi)的電子與空穴會逐漸復(fù)合,開路電壓就會慢慢減小。因此,開路電壓衰減的主要原因是由于受激發(fā)電子的復(fù)合。在本研究中,采用開路電壓衰減法,即通過檢測開路電壓隨時間的變化來測定異質(zhì)結(jié)表/界面修飾前后的雜化太陽電池的開路電壓衰減情況,以定性分析電荷復(fù)合的變化,并得到連續(xù)開路電壓下的電子壽命,以便理解太陽電池光電性能的變化。圖9 a)為開路電壓衰減測試圖,通過觀察時間和開路電壓的關(guān)系,可以確定經(jīng)過有機(jī)分子HM修飾過的電池(Device B)的開路電壓衰減速率小于未經(jīng)有機(jī)分子HM修飾過的電池。異質(zhì)結(jié)表/界面經(jīng)有機(jī)分子HM修飾過后,某種程度上可以有效抑制電子復(fù)合,從而提高了開路電壓和短路電流,電池性能亦得到優(yōu)化。根據(jù)下列公式(1),可以計(jì)算出界面修飾前后的電子壽命τ。圖9 b)為電子壽命隨電壓的變化曲線。
很明顯,經(jīng)過有機(jī)分子HM修飾后電池的電子壽命延長。這也表明在TiO2/PCPDTBT異質(zhì)結(jié)界面處,經(jīng)過有機(jī)分子HM修飾的電池的電子復(fù)合得到了抑制。
圖9 雜化太陽電池的開路電壓衰減曲線和電子壽命隨電壓的變化曲線Fig.9 OCVD curves and the decay-time constants versus voc for the hybrid solar devices
采用水熱法在FTO導(dǎo)電玻璃上首先沉積了TiO2納米棒,然后將有機(jī)三苯胺分子HM作為修飾層附著到TiO2納米棒上,制作成結(jié)構(gòu)為 FTO/TiO2/HM/PCPDTBT/PEDOT:PSS/Au 的雜化太陽電池。通過SEM,TEM和XRD分析可以確定TiO2納米棒陣列的形貌和結(jié)構(gòu);EDS分析表明,有機(jī)分子HM浸染到了TiO2納米棒陣列表面;接觸角測試表明,膜表面性質(zhì)由親水性變?yōu)槭杷?,這樣有利于TiO2和聚合物PCPDTBT的接觸,提高光生激子在異質(zhì)結(jié)界面處的分離效率;熒光測試印證了異質(zhì)結(jié)表/界面修飾后激子解離效率和電荷轉(zhuǎn)移傳輸效率的提高;開路電壓衰減測試表明,經(jīng)異質(zhì)結(jié)表/界面修飾后電子壽命延長,電荷復(fù)合的發(fā)生幾率降低,電池的光電轉(zhuǎn)換效率得到了一定程度的提高。此研究說明,通過異質(zhì)結(jié)表/界面修飾改善活性層的形貌結(jié)構(gòu)對電池性能有著重要的影響,可以通過進(jìn)一步改良電池的制作工藝條件,嘗試使用其他能級匹配的無機(jī)、有機(jī)半導(dǎo)體材料和界面修飾材料來優(yōu)化電池的光電性能。
/
[1] 裴娟, 韓亞楠. Zn/ZnO納米線電極的制備及其在柔性雜化太陽電池中的應(yīng)用[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 35(6): 543-547.
PEI Juan, HAN Yanan. Preparation of Zn/ZnO electrode and its application in flexible hybrid solar cells[J]. Journal of Hebei University of Science and Technology, 2014, 35(6):543-547.
[2] PEI Juan, HAO Yanzhong, LYU Haijun, et al. Optimizing the performance of TiO2/P3HT hybrid solar cell by effective interfacial modification[J]. Chemical Physics Letters, 2016, 644(16):127-131.
[3] WEICKERT J, DUNBAR R B, HESSE H C, et al. Nanostructured organic and hybrid solar cells[J]. Advanced Materials, 2011, 23(16): 1810-1828.
[4] LIAO Wenpin, HSU S C, LIN W H, et al. Hierarchical TiO2nanostructured array/P3HT hybrid solar cells with interfacial modification[J]. The Journal of Physical Chemistry C, 2012, 116(30): 15938-15945.
[5] ZHONG M , SHENG D , LI C, et al. Hybrid bulk heterojunction solar cells based on poly (3-hexylthiophene) and Z907-modified ZnO nanorods[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2014, 121(2): 22-27.
[6] LIU Jincheng, WANG Wengli, YU Huangzhong, et al. Surface ligand effects in MEH-PPV/TiO2hybrid solar cells[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2008, 92(11): 1403-1409.
[7] 裴娟, 郝彥忠, 孫寶, 等. 雜化太陽電池中異質(zhì)結(jié)界面的修飾及其對電池光電性能的影響[J]. 物理化學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 30(3): 397-407.
PEI Juan, HAO Yanzhong, SUN Bao, et al. Heterojunction interface modification and its effect on the photovoltaic performance of hybrid solar cells[J]. Acta Phys Chim Sin, 2014, 30(3): 397-407.
[8] CELIK D, KRUEGER M, VEIT C, et al. Performance enhancement of CdSe nanorod-polymer based hybrid solar cells utilizing a novel combination of post-synthetic nanoparticle surface treatments[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2012, 98(25): 433-440.
[9] FREITAS F S, CLIFFORD J N, PALOMARES E, et al. Tailoring the interface using thiophene small molecules in TiO2/P3HT hybrid solar cells[J]. Physical Chemistry Chemical Physics, 2012, 14(34): 11990-11993.
[10] PARK I, LIM Y, NOH S, et al. Enhanced photovoltaic performance of ZnO nanoparticle/poly(phenylene vinylene) hybrid photovoltaic cells by semiconducting surfactant[J]. Organic Electronics, 2011, 12(3): 424-428.
[11] BENEDETTI J E, FREITAS F S, FERNANDES F C, et al. Investigation of the structural properties of poly(ethylene oxide) copolymer as gel polymer electrolyte and durability test in dye-sensitized solar cells[J]. Ionics, 2015, 21(6): 1771-1780.
[12] WU J, LAN Z, LIN J, et al. Electrolytes in dye-sensitized solar cells[J]. Chemical Review, 2015, 115(5): 2136-2173.
[13] QUERNER C, BENEDETTO A, DEMADRILLE R, et al. Carbodithioate-containing oligo- and polythiophenes for nanocrystals' surface functionalization[J]. Chemistry of Materials, 2006, 18(20): 4817-4826.
[14] BHONGALE C J, THELAKKAT M. Efficient hybrid polymer/titania solar cells sensitized with carboxylated polymer dye[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2010, 94(5): 817-822.
[15] PEI J, PENG S J, SHI J F, et al. Triphenylamine-based organic dye containing the diphenylvinyl and rhodanine-3-acetic acid moieties for efficient dye-sensitized solar cells[J]. Journal of Power Sources, 2009, 187(2): 620-626.
[16] 郝彥忠, 孫寶, 羅沖, 等. ZnO 納米管有序陣列與 Cu2O 納米晶核殼結(jié)構(gòu)的光電化學(xué)性能及全固態(tài)納米結(jié)構(gòu)太陽電池研究[J]. 高等學(xué)?;瘜W(xué)學(xué)報(bào), 2014, 35(1): 127-133.
HAO Yanzhong, SUN Bao, LUO Chong, et al. Photoelectrochemistry of core-shell nanostructure of ordered ZnO nanotube array and Cu2O nanocrystals and performance of the all oxide solid state nanostructure solar cell[J]. Chemical Journal of Chinese Universities, 2014, 35(1): 127-133.
[17] NEO C Y, GOPALAN N K, OUYANG J. Graphene oxide/multi-walled carbon nanotube nanocomposites as the gelator of gel electrolytes for quasi-solid state dye-sensitized solar cells[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2014, 2(24): 9226-9235.
[18] 范龍雪, 王尚鑫, 孫碩, 等. 有機(jī)/無機(jī)雜化太陽電池的研究述評[J]. 河北科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 34(6):572-582.
FAN Longxue, WANG Shangxin, SUN Shuo, et al. Review on organic polymer/inorganic semiconductor hybrid solar cell[J]. Journal of Hebei University of Science and Technology, 2013, 34(6):572-582.
[19] SONG D, CHO W, LEE J H, et al. Toward higher energy conversion efficiency for solid polymer electrolyte dye-sensitized solar cells: Ionic conductivity and TiO2pore-filling[J]. Journal of Physical Chemistry Letters, 2014, 5(7): 1249-1258.
[20] APOSTOLOPOULOU A, VLASIOU M, TZIOURIS P A, et al. Oxidovanadium(Ⅳ/Ⅴ) complexes as new redox mediators in dye-sensitized solar cells: A combined experimental and theoretical study[J]. Inorganic Chemistry, 2015, 54(8): 3979-3988.
[21] 王鵬, 張沙沙, 張韶蕾, 等. CDPVC/Ag3PO4復(fù)合光催化劑的制備及性能分析[J]. 河北科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 37(2):173-179.
WANG Peng, ZHANG Shasha, ZHANG Shaolei, et al. Study on preparation and performances of CDPVC/Ag3PO4composite photocatalyst[J]. Journal of Hebei University of Science and Technology, 2016, 37(2): 173-179.
[22] LI M Manman, QIN Yuancheng, YAN Chun, et al. Tuning the fluorescence lifetime of donor polymers containing different proportion of electron withdrawing groups in hybrid solar cells[J]. Synthetic Metals, 2016, 221: 19-24.
[23] GAO Y, JIN F M, SU Z S, et al. All thermal-evaporated surface plasmon enhanced organic solar cells by Au nanoparticles[J]. Organic Electronics, 2016, 39(39): 71-76.
Modification of heterojunction surface/interfacial to optimize the hybrid solar cells efficiency
PEI Juan, CAO Rongxi, HAO Yanzhong, SUN Bao, LI Yingpin, ZHANG Sai, DU Jingwen
(School of Science, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)
In order to improve the compatibility between inorganic semiconductor and organic polymer semiconductor, and optimize the photoelectric performance of the battery, a hybrid solar cell of TiO2/PCPDTBT based on one dimensional inorganic TiO2nanorods ordered arrays and organic polymer PCPDTBT is constructed. The heterojunction interface properties between the inorganic and organic materials are controlled by amphiphilic organic triphenylamine-type molecules. The properties of the hybrid films are characterized by scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM), X-ray diffraction (XRD), energy dispersive spectrometer (EDS), UV-vis spectra (UV-vis), photoluminescence spectroscopy (PL), etc.. The battery performance tests demonstrate that the photovoltaic performance of the modified cell is improved, and the power conversion efficiencyηis of 0.81%. Open circuit voltage decay tests demonstrate that the electron lifetime is increased after heterojunction surface/interfacial modification. These results indicate that the amelioration of morphology and structure of the active layer plays an important role on solar cell performance, by means of modification of the heterojunction surface/interface.
solar energy;hybrid solar cell;surface/interfacial modification;exciton dissociation;electron lifetime;photovoltaic performance
O649.2
A
2017-05-09;
2017-06-20;責(zé)任編輯:張士瑩
國家自然科學(xué)基金(21603053,21173065);河北省自然科學(xué)基金(B2014208062,B2014208066,B2014208121);河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目(13214413);河北科技大學(xué)博士啟動基金(000691,010087)
裴 娟(1981-),女,河北邯鄲人,副教授,博士,主要從事清潔能源材料與技術(shù)方面的研究。
郝彥忠教授。E-mail:yzhao@hebust.edu.cn
裴 娟,曹榮璽,郝彥忠,等.異質(zhì)結(jié)表/界面修飾對雜化太陽電池性能的優(yōu)化[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào),2017,38(5):486-492.
PEI Juan,CAO Rongxi,HAO Yanzhong,et al. Modification of heterojunction surface/interfacial to optimize the hybrid solar cells efficiency[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2017,38(5):486-492.