学术干货 | 解剖专业好文——说说有机太阳能电池的重要参数及表征
亲爱的小伙伴们，上一次我们谈了《TEM好基友— Digital Micrograph功能及使用教程》
这一次我们来谈一谈未来新能源的发展方向——有机太阳能电池！
一、有机太阳能电池器件的五个重要参数
有机太阳能电池主要的性能参数包括：光电转换效率（Power Conversion Efficiency，简写为PCE）、开路电压（Open-circuit Voltage，简写为VOC）、短路电流（Short-circuit Current Density，简写为JSC）、填充因子（Fill Factor，简写为FF）和外量子效率（External Quantum Efficiency，简写为EQE）。如图1-3（b）所示，光伏性能的优劣主要体现在PCE的数值上，而PCE的数值与VOC、JSC、FF这三个参数紧密相关。
图1-3（a）活性层给受体材料能级解析示意图（b）电流电压曲线图
1）开路电压，VOC
VOC是太阳能电池外电路断开或电流为零时的电压，即是最大输出电压（图1-3（b））,是J-V曲线中横坐标为0时纵坐标所对应的数值。一般VOC值越大，其PCE值越大。VOC与D-A材料的类型、配比、器件结构等有关。对于单层器件，VOC由正负电极的功函之差所决定；然而对于本体异质结结构器件，VOC主要取决于给体的HOMO能级和受体的LUMO能级的能级之差，即E2（图1-3（a））。
2）短路电流，JSC
JSC是太阳能电池上施加电压为零时外电路上的电流密度（图1-3（b）），是J-V曲线中纵坐标为0时横坐标所对应的数值。一般JSC值越大，其PCE值越大。JSC与器件的制备工艺和D-A材料类型有关，如D-A材料的配比、添加剂的种类、退火、界面修饰等均可影响JSC的数值。
3）填充因子，FF
FF为在一定负载下太阳能电池提供的最大功率与VOC、JSC乘积之比，它表示器件能够对外界提供的最大输出功率的能力参数，图1-3（b）：
FF = (Vmax×Jmax)/(VOC×JSC) = Pmax/(VOC×JSC) （式1-1）
其中，Vmax和Jmax分别为最大输出功率点Pmax的电压和电流。FF是考量电池输出性能的一个重要参数，其FF值越大，PCE值就越大。
4）光电转换效率，PCE
PCE表明了入射光的能量有多少可以转化成有效的电能，是Pmax（最大输出功率）与Pin（入射单色光功率）的比值：
PCE = Pmax/Pin = (VOC×JSC×FF)/Pin （式1-2）
由于有机太阳能电池中给体材料的光谱响应范围比较窄，在太阳光下的能量转化效率要低于其单色光照射下的能量转化效率。由此可知，要获得高的PCE，就要调控好VOC、JSC、FF的值。材料的类型和纯度、器件结构及制备方法均可能影响电池的PCE。
5）外量子效率，EQE
EQE是指对特定波长电池收集电子数和器件所吸收光子数的比值：
EQE=1240×JSC/(λ×Pin) （式1-3）
要取得高的PCE，高的EQE是必要条件。EQE可以反映对不同波长单色光的吸收效应。改善给体材料对太阳光谱的吸收性能、提高载流子的收集效率、增强激子的扩散能力均有利于EQE的提高。
二、表征太阳能电池材料手段
以文中材料（见文后参考文献）P1、P2、 P3为例，说明有机太阳能电池的表征方法。
1、聚合物（P1-P3）的热学性能
聚合物的热学性能通过TGA曲线进行表征，参见图2-3所示。聚合物P1、P2和P3出现5%失重的温度分别为334 °C、337 °C和336 °C，聚合物有良好的热稳定性，保证了太阳能电池器件的使用寿命。
图2-3聚合物（P1-P3）在升温速率为10 °C min-1、氮气条件下的TGA曲线
2、聚合物（P1-P3）的光学性能
图2-4显示了聚合物（P1-P3）在氯仿溶液和旋涂薄膜的吸收光谱图，相应数据参见表2-2。三个聚合物在550~620 nm范围中显示了两个吸收峰。
图2-4聚合物（P1-P3）在三氯溶液（a）及固态薄膜（b）状态下的紫外-可见（UV-vis）吸收光谱
表2-2聚合物（P1-P3）的光学性能和电子能级
| polymer | λmaxa
(nm) |
λmaxb
(nm) |
λonsetb
(nm) |
Egopt c
(eV) |
Eox
(V) |
EHOMOd
(eV) |
ELUMOe
(eV) |
| P1 | 624 | 633 | 694 | 1.79 | 1.01 | -5.43 | -3.64 |
| P2 | 606 | 624 | 684 | 1.81 | 1.10 | -5.52 | -3.71 |
| P3 | 622 | 628 | 698 | 1.78 | 0.93 | -5.35 | -3.57 |
| P4 | 625 | 625 | 670 | 1.85 | 0.60 | -5.31 | -3.56 |
根据光学带隙的计算公式计算得到聚合物P1、P2和P3的光学带隙（Egopt）分别为1.79 eV、1.81 eV和1.78 eV。从表2-2中可以看出，没有共轭侧链的聚合物P1、有着半共轭侧链的聚合物P2和P3、共轭侧链聚合物P4有着相似的光学性能。
3、聚合物（P1-P3）的电化学性能
用CV曲线研究聚合物或有机小分子的电化学性能，以获得聚合物或有机小分子的HOMO与LUMO的能级值。使用标准的三电极进行测试（工作电极：涂有聚合物或有机小分子薄膜的玻碳电极；对电极：铂丝；参比电极：Ag/AgCl电极；电解液：0.1 mol/L Bu4NPF6/CH3CN）。在室温、氮气气氛、50 mv/s条件下得到所测物质的CV曲线（图2-5）
图2-5聚合物（P1-P3）的循环伏安曲线图
如图2-5所示，聚合物（P1、P2、P3）的起始氧化电位分别为1.01 V、1.10 V、0.93 V，对应的HOMO能级为-5.43 eV、-5.52 eV、-5.35 eV，三个聚合物（P1、P2、P3）都展示了相对较低的HOMO能级。
4、聚合物（P1-P3）的光伏性能
为研究聚合物（P1、P2、P3）的光伏性能，用新合成的聚合物（P1、P2、P3）作为D，富勒烯衍生物PC61BM作为A，按照不同的比例共混作为活性层制成体异质结太阳能电池。PC61BM被用在太阳能电池器件的活性层中以形成D-A类型的体异质结结构，有利于电荷在D-A界面的转移，进而加强其光伏性能。图2-6为聚合物与PC61BM在最优比为1:1的条件下的J-V曲线图，相对应的数据参见表2-3。
表2-3基于聚合物（P1-P3）和PC61BM混合膜的太阳能电池的光伏性能
| Polymer | thermal
annealing |
PCE (%) | ||||
| VOC (V) | JSC (mA/cm2) | FF (%) | av | max | ||
| P1 | N | 0.93 | 7.31 | 60.60 | 3.99±0.14 | 4.13 |
| Y | 0.95 | 6.28 | 56.42 | 3.24±0.11 | 3.35 | |
| P2 | N | 0.96 | 3.82 | 55.51 | 1.95±0.08 | 2.03 |
| Y | 0.99 | 3.46 | 57.25 | 1.88±0.07 | 1.95 | |
| P3 | N | 0.92 | 4.92 | 44.41 | 1.91±0.10 | 2.01 |
| Y | 0.96 | 4.52 | 47.53 | 2.00±0.06 | 2.06 | |
图2-6退火前（a）和100 °C退火后（b）在聚合物和PC61BM的比例为1:1条件下的J-V曲线
通过测试在最优条件下（聚合物：PC61BM=1:1，P3退火处理）的电池器件的EQE曲线来确定聚合物（P1、P2、P3）JSC的准确性，详见图2-7。从图中得知基于聚合物（P1、P2、P3）的电池器件在300到700 nm之间都表现出了光响应。通过EQE曲线，计算出电池器件的JSC（P1: 7.16 mA/cm2，P2: 3.72 mA/cm2，P3: 4.47 mA/cm2），与J-V曲线获得的JSC（P1: 7.31 mA/cm2，P2: 3.82 mA/cm2，P3: 4.52 mA/cm2）基本一致，从而保证了测量的有效性。
图2-7在最优条件下相应器件的外量子效率曲线
5、材料的空穴迁移率
为了进一步研究基于垂悬噻吩侧链的聚合物在光伏性能上的差异，通过空间限制电流的方法（SCLC）测试相应器件的空穴迁移率。测试结果详见图2-8。
较高的空穴迁移率有利于空穴在活性层中的传输，能够有效地提高太阳能电池的JSC和FF值。
6、聚合物（P1-P3）的形貌研究
用AFM调查聚合物/PC61BM混合薄膜的形貌，进一步了解聚合物（P1-P3）电池器件性能之间的差异。
图2-9聚合物（P1-P3）在最优条件下的原子力显微镜形貌(ace)及相分离(bdf)图像，图像尺寸4×4微米
三、有机太阳能电池面临的机遇与挑战
机遇
有机太阳能电池具有如下优点：
（1）化学可变性大，原料来源广泛；
（2）有多种途径可改变和提高材料光谱吸收能力，扩展光谱吸收范围，并提高载流子的传 送能力；
（3）加工容易，可采用旋转法、流延法大面积成膜，还可进行拉伸取向使极性分子规整排 列，采用LB膜技术在分子生长方向控制膜的厚度；
（4）容易进行物理改性，如采用高能离子注入掺杂或辐照处理可提高载流子的传导能力， 减小电阻损耗提高短路电流；
（5）电池制作的结构多样化；
（6）价格便宜。有机高分子半导体材料的合成工艺比较简单，如酞菁类染料早已实现工业 化生产，因而成本低廉。这是有机太阳能电池实用化最具有竞争能力的因素。
（7）可降解，对环境的污染小。
挑战
然而与无机硅太阳能电池相比，有机太阳能电池在转换效率、光谱响应范围、电池的稳定性方面，有机太阳能电池还有待提高。各种研究表明，决定光电效率的基本损失机制主要有：
1.半导体表面和前电极的光反射；
2.禁带越宽没有吸收的光传播越大；
3.由高能光子在导带和价带中产生的电子和空穴的能量驱散；
4.光电子和光空穴在光电池的光照面和体内的复合；
5.有机染料的高电阻和低的载流子迁移率。
综合来看，有机太阳能电池依旧面临着光电转化效率低，成本较高，难以大面积应用生产等难题，亟待科研人员继续努力探索发现！
本文由材料人编辑部学术干货组 大宋 供稿，材料牛编辑整理。
参考文献：
"Novel pendent thiophene side‐chained benzodithiophene for polymer solar cells." Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry 53.13 (2015): 1558-1566.
欢迎加入“材料人新能源材料交流 422065952”，优秀硕博们，一起加入材料人编辑部学术干货组吧，传播知识，展现才华， 助力材料科研，私信负责人“淡年华（ QQ:601416321） ”报名！
欢迎各大课题组到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。
文章评论(0)