有机太阳能电池（Polymer Solar Cell, PSC）由于具有环保低能耗、轻量低成本、柔性、可溶液加工和大面积印刷制备的综合性优势而受到广泛关注。活性层是PSC最重要的组成部分, 其形貌的调控和优化决定了器件最终的性能, 因此有必要对活性层优化工艺进行系统整理和分析。对活性层后处理工艺在PSC中应用的最新研究进展进行了综述, 包括热退火、溶剂蒸气退火、热退火与溶剂蒸气退火的组合、添加辅助层和极性溶剂辅助后处理等工艺,并就其对器件性能改善的原因和对活性层形貌优化的机理进行了分析和总结, 为PSC性能优化研究和产业化发展提供了理论依据。

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%。

非富勒烯受体（NFA)材料是现阶段非常受欢迎的有机光电材料之一。基于非富勒烯受体的有机体异质结（BHJ)太阳能电池发展迅速, 其单结能量转换效率（PCE)现已达到18%。有机半导体中单线态与三线态在磁场作用下的相互转换会影响其电子-空穴的解离与复合, 从而对光伏性能有一定的影响。此外, 三线态激子寿命和扩散距离较长, 三线态-电荷反应的几率较大, 增加光电流, 使得三线态材料对于光伏性能的提高具有一定的作用。因此, 本文主要从以下几个方面对非富勒烯有机太阳能电池进行叙述, 首先讨论了有机太阳能电池中电荷分离、重组及能量损失对开路电压的影响; 其次总结了有机太阳能电池磁场下自旋依赖的光物理过程及三线态材料在有机太阳能电池中的应用, 了解二者对提高光伏性能的影响; 最后对有机光伏性能的进一步提高以及有机半导体磁场下的自旋问题进行了展望。

采用传输矩阵法研究了基于MoO3/Ag/MoO3（MAM）透明导电电极和ITO电极的聚合物太阳能电池的光学性能。分别对电池耦合层厚度、活化层厚度和金属电极进行了优化, 得到了优良效率的结构。结果表明,MAM与ITO有机太阳能电池在不同活性层厚度和不同光学间隔层厚度条件下有明显的光学性能差异; 对于薄活性层MAM电极器件(100nm), 最大短路电流密度可达到16.85mA/cm2, 比ITO器件提高了7.3mA/cm2, 而对于厚活性层MAM电极(270nm), ITO电极器件的光学性能明显优于MAM器件; 还通过改变光学间隔层LiF的厚度进行计算, 得出本仿真条件下两种结构性能差异的临界光学间隔层厚度为30nm。

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%。

在有机电致发光器件(OLEDs)中,由于存在多种光子束缚模式,其光提取效率很低。在有机太阳能电池(OPVs)中,有机材料的载流子迁移率较低,需要控制有源层厚度,导致光吸收不足,降低光电转换效率。利用金属等离子体微纳结构调控有机光电器件中的光场分布,是提高器件效率的有效方法之一。对基于金属等离子体微纳结构调控有机光电器件光场分布的最新研究进展进行总结,并详细讨论利用等离子体金属结构提高OLEDs的光提取效率和OPVs的光吸收效率的机理和方法。

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。