熱點應用丨綠色能源新選擇:有機太陽能電池

當天然氣、煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急，能源問題日益成為制約國際社會經濟發展的瓶頸時，越來越多的國家開始實行“陽光計劃”，開發太陽能資源，尋求經濟發展的新動力。太陽能電池的應用已從軍事領域、航天領域進入工業、商業、農業、 通信、家用電器以及公用設施等部門，尤其可以分散地在邊遠地區、高山、沙漠、海島和農村使用，以節省造價很貴的輸電線路。

文章背景

有機太陽能電池由于其可調節的化學結構和易于加工成大面積光伏面板而成為利用太陽能的有力的候選者。通常存在的有機半導體，其帶隙為1.4 eV至3 eV，這些材料僅僅只能吸收一小部分太陽光譜。克服此限制的一種方法是串聯堆疊不同帶隙的單元。然而，具有較窄帶隙的新材料和器件需要重新優化以及設計，以提高太陽能電池的效率。但這些新材料在封裝后仍無法防止氧化，穩定性仍然較差，因此新型GX有機器件的開發也受到了限制。本文中，通過穩態和時間分辨光譜研究Poly(3-hexyl)thiophene-2,5-diyl:[6,6]-phenyl C61 butyric acid methyl ester (P3HT: PCBM)相關的性質。

材料與方法

使用配備有450 W Xe燈和雙激發和發射單色儀的FLS1000熒光光譜儀測量激發，發射和電致發光光譜。FLS1000中集成的高通濾光片過濾了更高的衍射級。配置PMT-980和NIR-PMT（PMT-1700）進行光譜采集。

對于時間分辨的測量，使用了皮秒脈沖二極管激光器（EPL-445）和鈦藍寶石激光器（Coherent Verdi G10, 10W 以及Mira 900, 200 fs, 76 MHz）。鈦藍寶石輸出通過脈沖采集器，產生4.75 MHz的重復頻率，然后倍頻以在445 nm處提供激發。通過超快PMT檢測器（MCP-PMT）檢測熒光發射。三個所需的檢測器可同時安裝在FLS1000的可用端口中。

將P3HT和PCBM以1:1的比例溶于鄰二氯苯（Sigma-Aldrich，240598）配置為17 mg / mL溶液，并在50°C下攪拌12 h。

結果與討論

圖1顯示了暴露于空氣中或者封裝的P3HT:PCBM樣品的歸一化的激發和發射光譜。封裝前后的發射光譜相似，峰值均為720 nm。但是，暴露在空氣中的樣品在720 nm監測測試激發光譜，顯示出600 nm處的主峰和450 nm處的肩峰，以及封裝樣品來自所用環氧樹脂的在220 nm和280 nm處的其他峰。激發光譜與吸光度光譜一致，PCBM的吸收范圍為200 nm-400 nm，P3HT為400 nm-600nm。

圖1：暴露空氣和封裝的P3HT：PCBM太陽能電池的激發和發射光譜。插圖顯示封裝的太陽能電池的照片。

P3HT:PCBM樣品的熒光衰減如圖2所示。暴露空氣樣品的壽命衰減擬合為單指數的46.84 ps，該值明顯低于封裝樣品的647.20 ps。封裝樣品的壽命與原始P3HT的壽命一致，這表明該樣品中的聚合物尚未被PCBM淬滅。

圖2：暴露空氣和封裝的P3HT:PCBM太陽能電池的熒光壽命衰減

封裝樣品在不同驅動電流下的歸一化電致發光（EL）光譜如圖3所示。隨著輸入電流的增加，光譜的逐漸藍移，意味著高能態的增加。

圖3：封裝的P3HT：PCBM器件的電致發光光譜。插圖：顯示封裝設備的照片。

總結

P3HT:PCBM太陽能電池已經通過光致發光和電致發光光譜進行了表征。光致發光激發光譜與吸收光譜一致。皮秒范圍內的時間分辨光譜顯示了聚合物對富勒烯的淬滅狀態，這對于用新材料開發有機太陽能電池至關重要。另外，觀察到電致發光光譜的藍移隨著電流強度的增加。

標簽：有機太陽能電池FLS1000熒光光譜儀