热点应用丨绿色能源新选择:有机太阳能电池

当天然气、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。太阳能电池的应用已从军事领域、航天领域进入工业、商业、农业、 通信、家用电器以及公用设施等部门，尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使用，以节省造价很贵的输电线路。

文章背景

有机太阳能电池由于其可调节的化学结构和易于加工成大面积光伏面板而成为利用太阳能的有力的候选者。通常存在的有机半导体，其带隙为1.4 eV至3 eV，这些材料仅仅只能吸收一小部分太阳光谱。克服此限制的一种方法是串联堆叠不同带隙的单元。然而，具有较窄带隙的新材料和器件需要重新优化以及设计，以提高太阳能电池的效率。但这些新材料在封装后仍无法防止氧化，稳定性仍然较差，因此新型GX有机器件的开发也受到了限制。本文中，通过稳态和时间分辨光谱研究Poly(3-hexyl)thiophene-2,5-diyl:[6,6]-phenyl C61 butyric acid methyl ester (P3HT: PCBM)相关的性质。

材料与方法

使用配备有450 W Xe灯和双激发和发射单色仪的FLS1000荧光光谱仪测量激发，发射和电致发光光谱。FLS1000中集成的高通滤光片过滤了更高的衍射级。配置PMT-980和NIR-PMT（PMT-1700）进行光谱采集。

对于时间分辨的测量，使用了皮秒脉冲二极管激光器（EPL-445）和钛蓝宝石激光器（Coherent Verdi G10, 10W 以及Mira 900, 200 fs, 76 MHz）。钛蓝宝石输出通过脉冲采集器，产生4.75 MHz的重复频率，然后倍频以在445 nm处提供激发。通过超快PMT检测器（MCP-PMT）检测荧光发射。三个所需的检测器可同时安装在FLS1000的可用端口中。

将P3HT和PCBM以1:1的比例溶于邻二氯苯（Sigma-Aldrich，240598）配置为17 mg / mL溶液，并在50°C下搅拌12 h。

结果与讨论

图1显示了暴露于空气中或者封装的P3HT:PCBM样品的归一化的激发和发射光谱。封装前后的发射光谱相似，峰值均为720 nm。但是，暴露在空气中的样品在720 nm监测测试激发光谱，显示出600 nm处的主峰和450 nm处的肩峰，以及封装样品来自所用环氧树脂的在220 nm和280 nm处的其他峰。激发光谱与吸光度光谱一致，PCBM的吸收范围为200 nm-400 nm，P3HT为400 nm-600nm。

图1：暴露空气和封装的P3HT：PCBM太阳能电池的激发和发射光谱。插图显示封装的太阳能电池的照片。

P3HT:PCBM样品的荧光衰减如图2所示。暴露空气样品的寿命衰减拟合为单指数的46.84 ps，该值明显低于封装样品的647.20 ps。封装样品的寿命与原始P3HT的寿命一致，这表明该样品中的聚合物尚未被PCBM淬灭。

图2：暴露空气和封装的P3HT:PCBM太阳能电池的荧光寿命衰减

封装样品在不同驱动电流下的归一化电致发光（EL）光谱如图3所示。随着输入电流的增加，光谱的逐渐蓝移，意味着高能态的增加。

图3：封装的P3HT：PCBM器件的电致发光光谱。插图：显示封装设备的照片。

总结

P3HT:PCBM太阳能电池已经通过光致发光和电致发光光谱进行了表征。光致发光激发光谱与吸收光谱一致。皮秒范围内的时间分辨光谱显示了聚合物对富勒烯的淬灭状态，这对于用新材料开发有机太阳能电池至关重要。另外，观察到电致发光光谱的蓝移随着电流强度的增加。