摘 要：為提高低碳園區(qū)中新型光伏板智慧能源采集系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)化效率，以1，3-二溴-5，5-二甲基海因（DBH）、二酮異吲哚等制備的寬帶隙材料為給體材料，以非富勒烯Y6-BO和PTIC分別為受體材料，制備了具有高功率轉(zhuǎn)換效率光伏板電池，并對其最佳配比、伏安特性、載流子傳屬性進(jìn)行測試。結(jié)果表明，相較于PTIC作為受體材料，采用Y6-BO作為受體材料與給體材料制備光伏板電池的光電轉(zhuǎn)化效率更高，最優(yōu)能量轉(zhuǎn)化效率為15.23%，提高了3.86%，為低碳園區(qū)中新型光伏板智慧能源采集系統(tǒng)有效轉(zhuǎn)化光電能源奠定了理論基礎(chǔ)。此時(shí)，DCM和CF組分、三氯甲烷組分的質(zhì)量比為1?1.5，覆膜厚度為100 nm。

關(guān)鍵詞：光伏板電池；光電轉(zhuǎn)化效率；寬帶隙材料；智慧能源

中圖分類號(hào)：TM615+.2；TQ152 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2024）10-0005-04

Research on the preparation and intelligent acquisitionsystem of new batteries for high-efficiency conversion of photovoltaic panels

TAN Zhukui1，QIAO Biang2，WANG Yang1，SUN Zongyu2，LI Ji2，ZHANG Guangqiu2

（1. Guizhou Power Grid Co.，Ltd.，Guiyang 550002，China；2. China Building Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100013，China）

Abstract：In order to improve the photoelectric conversion efficiency of the new photovoltaic smart energy collec?tion system in low-carbon parks，photovoltaic panel cells with high power conversion efficiency were prepared with1，3-dibromo-5，5-dimethylhydantoin（DBH）and diketone isoindole as donor materials，and non-fullerene Y6-BOand PTIC were used as acceptor materials，and their optimal ratio，voltammetry characteristics and carrier transferproperties were tested. The results showed that compared to PTIC as the acceptor material，using Y6-BO as the ac?ceptor material and donor material to prepare photovoltaic panel cells had a higher photoelectric conversion efficien?cy，with an optimal energy conversion efficiency of 15.23%，which was increased by 3.86% and laid a theoreticalfoundation for the effective conversion of photovoltaic energy by the new photovoltaic panel smart energy acquisition system in low-carbon parks. At this time，the mass ratio of DCM to CF component and chloroform component was1?1.5，and the coating thickness was 100 nm

Key words：photovoltaic panel cells；photoelectric conversion efficiency；wideband gap materials；smart energy

在低碳園區(qū)中，太陽能光伏發(fā)電是主要的電力來源。然而，由于技術(shù)限制，光伏板電池光電轉(zhuǎn)化效率仍處于一個(gè)較低的水平，相關(guān)專家和學(xué)者致力于提高光伏板電池的光電轉(zhuǎn)化效率。通過分析鈣鈦礦材料的特點(diǎn)，認(rèn)為利用鈣鈦礦材料實(shí)現(xiàn)熱載流子太陽能電池，具有一定的可行性[1]；制備了一種高性能有機(jī)太陽能電池，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的短路電流密度和能量轉(zhuǎn)換效率，相較于基于MoO3界面層制備的太陽能電池，透過率和疏水性更好[2]；通過在稀土中摻雜量子點(diǎn)材料，制備了一種太陽能用電池，增強(qiáng)了電池的光學(xué)和電學(xué)性能，提高了發(fā)光量子的效率[3]。通過上述研究可以發(fā)現(xiàn)，太陽能光伏板電池材料對光伏板電池光電轉(zhuǎn)化效率具有一定影響。因此，制備一種高性能的光伏板電池材料，有利于提高光電轉(zhuǎn)化效率。寬帶隙材料對提高光電轉(zhuǎn)化效率具有促進(jìn)作用[4]。本研究采用1，3-二溴-5，5-二甲基海因、二酮異吲哚等原料制備了一種寬帶隙材料，并以其為給體材料，以Y6-BO為受體材料，制備了一種具有高功率轉(zhuǎn)換效率光伏板電池。

1 材料與方法

1. 1 材料與設(shè)備

本次試驗(yàn)材料包括正己烷（AR，南京化學(xué)試劑）、二氯甲烷（AR，常興新材料）、三氯甲烷（AR，潤景化工）、甲苯（AR，賽默飛世爾科技中國）、乙醚（AR，創(chuàng)世化工）、N，N-二甲基甲酰胺（AR，麥克林生化科技）、三甲基氯化錫（AR，西格瑪奧德里奇（上海））、正丁基鋰（1.6M，前衍化學(xué)科技（武漢））、四氫呋喃（AR，世紀(jì)通達(dá)化工）、四三苯基膦鈀（AR，瑞科新材料）、1，3-二溴-5，5-二甲基海因（AR，前衍

化學(xué)科技（武漢））。

試驗(yàn)設(shè)備包括Shimadzu UV-1800紫外-可見吸收光譜儀（安捷倫科技（中國））、D-120臺(tái)階儀（翌穎科技（上海））、CHI620D循環(huán)伏安法分析儀（金相檢測設(shè)備）、舒?zhèn)惪斯埽爹i實(shí)驗(yàn)設(shè)備）、燒瓶（華玻實(shí)驗(yàn)儀器）、蒸鍍儀（科探儀器設(shè)備）。

1. 2 試驗(yàn)方法

1. 2. 1給體材料制備

（1）依次向舒?zhèn)惪斯苤屑尤?.313 g單氟單烷氧基、8.988 g三丁基（3-噻吩基）錫、0.497 3 g四三苯基膦鈀和45 mL無水二氯甲烷（DMF），并置于130℃環(huán)境中靜置12 h后蒸發(fā)處理。將剩余物質(zhì)通過二氯甲烷得到產(chǎn)物A1[5]；

（2）將1 gA1和4.713 g無水氯化鐵和200 mL無水DCM加入燒瓶中，在26℃室溫條件下反應(yīng)5 h后加入硅膠粉。3 min后取濾液并進(jìn)行蒸發(fā)，將得到的物質(zhì)通過正己烷得到產(chǎn)物A2；

（3）將23 mL三氯甲烷倒入燒瓶中，邊攪拌邊加入230 mg A2、320 ng NBS、0.7 mL濃硫酸，并在26℃自然條件下反應(yīng)30 min后，再次加入76 mgN-溴代琥珀酰亞胺（NBS）和0.2 mL濃硫酸。30 min后，將20 mL甲醇和1 mL水的混合液倒入其中，并過濾得到產(chǎn)物A3[6-7]；

（4）將300 mg A3、944 mg三丁基（4-（2-丁基辛基）噻吩-2-基）錫烷、82 mg四三苯基膦鈀、10 mL甲苯、2 mL DMF倒入舒?zhèn)惪斯?，并?12℃條件下反應(yīng)12 h。待反應(yīng)物冷卻到26℃時(shí)，加入水和PE溶液進(jìn)行萃取。然后通過蒸發(fā)后，利用體積比為1?2的聚乙烯（PE）與DCM溶液進(jìn)行分離，得到產(chǎn)物A4；

（5）將25 mL三氯甲烷倒入燒瓶中，邊攪拌邊加入220 mg A4、106.2 mg NBS。2 h后再加入25 mL甲醇，過濾溶液并加入體積比為1?2的PE與DCM混合液，得到產(chǎn)物A5；

（6）將80 mg A5和80.7 mg 2-乙基己基氧基苯并[1，2-b：4，5-b’]二噻吩（FBDT-Sn）、2.37 mg三（二亞芐基丙酮）二鈀和7.84 mg三（鄰甲基）苯基磷、0.8 mL無水甲苯倒入舒?zhèn)惪斯苤?，并置?12℃環(huán)境下反應(yīng)16 h后加入8 mL氯苯攪拌10 min[8-9]。然后將100 mL甲醇倒入混合液中并過濾分離得到DCM組分，以及體積比為1?1.5的DCM和碳氟化合物（CF）組分、三氯甲烷組分。將三氯甲烷組分倒入100 mL甲醇中，并過濾和干燥，得到產(chǎn)物A6。

A6即為用于光伏板電池制備的合成材料。

1. 2. 2光伏板電池制備

（1）基底清洗。采用1.5 cm×1.5 cm的氧化銦錫玻璃作為光伏板電池基底。首先將基底依次放入去離子水、丙酮、異丙醇溶液中，利用超聲清洗儀清洗15 min；然后取出基底放入臭氧-紫外清洗裝置中清洗15 min，去除基底表面污染物[10]；

（2）旋涂覆膜。以4 000 r/min速度將PEDOT/PSS均勻旋涂在基底上，并置于150℃溫度下退火15 min，得到PEDOT/PSS薄膜；然后按設(shè)定比例將A6分別與超窄帶隙受體Y6-BO和窄帶隙受體PTIC進(jìn)行混合，并在氮?dú)猸h(huán)境下攪拌12 h。將充分?jǐn)嚢璧幕旌先芤盒吭赑EDOT/PSS薄膜上，并置于150℃溫度下退火15 min[11-12]；最后，在2 mg/mL的MeOH/AcOH（1 000?3）溶液中溶解PDIN，并以5 000 r/min速度進(jìn)行旋涂。在自然條件下晾干，即實(shí)現(xiàn)了覆膜旋涂；

（3）蒸鍍電極。在氣壓小于1×10-4Pa的氣壓條件下，以0.5?/ s的速度將銀蒸鍍到旋涂覆膜的基底上，即完成了光伏板電池的制備[13]。

2 結(jié)果與分析

2. 1 合成材料測試結(jié)果

2. 1. 1吸收光譜

為了解所制備的A6合成材料的光學(xué)性能及其結(jié)構(gòu)，基于紫外-可見吸收光譜儀，對溶液狀態(tài)和覆膜狀態(tài)下制備的A6進(jìn)行了吸收光譜分析，結(jié)果如圖1。

由圖1可知，溶液狀態(tài)和覆膜狀態(tài)下，制備得到的A6材料分別在532 nm和568 nm處達(dá)到最高紫外-可見吸收強(qiáng)度，且只有一個(gè)最大值，說明所制備得到的A6材料具有較強(qiáng)的聚集性。將覆膜狀態(tài)下A6的吸收邊帶入光學(xué)帶隙公式，可計(jì)算得到A6的光學(xué)帶隙為2.10 eV，說明所制備的A6材料屬于寬帶隙材料[14]。

2. 1. 2電化學(xué)

采用循環(huán)伏安法分析儀對A6進(jìn)行測試，得到其循環(huán)伏安曲線和能級(jí)圖如圖2所示。

由圖2可知，A6的氧化電位和還原電位分別為0.7 V和-1.98 V，因此，根據(jù)式（1）和式（2），可分別計(jì)算得到A6的軌道能級(jí)和最低空軌道能級(jí)分別為-5.5 eV和-2.8 eV。由此可以看出，引入二酮異吲哚可降低材料的軌道能級(jí)。根據(jù)式（3）和式（4），可計(jì)算得到A6的電化學(xué)帶隙和有效最低空軌道能級(jí)分別為2.69 eV和-3.46 eV[15-16]。

2. 2 光伏板電池測試結(jié)果

2. 2. 1最佳配比確定

為制備得到最優(yōu)效率的光伏板電池，研究通過設(shè)置不同給體材料和受體材料的質(zhì)量比、覆膜厚度進(jìn)行測試，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，采用A6和Y6-BO制備光伏板電池時(shí)，當(dāng)給體材料和受體材料的質(zhì)量比為1?1.5，覆膜厚度為100 nm時(shí)，光伏板電池的最優(yōu)能量轉(zhuǎn)化效率為15.23%；當(dāng)給體材料和受體材料質(zhì)量比為1?2，覆膜厚度為100 nm時(shí)，光伏板電池的最優(yōu)能量轉(zhuǎn)化效率為11.37%。

2. 2. 2伏安特性

圖3為上述最佳配比條件下制備的光伏板電池伏安特性曲線圖。

由圖3可知，A6和Y6-BO材料制備的光伏板電池相較于A6和PTIC制備的光伏板電池，具有高功率轉(zhuǎn)換效率，整體高了4.38 mA/cm2。分析其原因是，受體材料Y6-BO的吸光范圍更廣[17-20]。

2. 2. 3載流子傳輸性

計(jì)算光伏板電池遷移率為9ζ0ζrμV2/（8d3），純膜與混合膜的遷移率如表2所示。

由表2可知，純膜制備的光伏板電池載流子遷移率為5.8×10-4cm2（/ Vks）；A6/Y6-BO混合膜制備的光伏板電池載流子遷移率和電荷傳輸率分別為2.40×10-4和1.04×10-4cm2（/ Vks）；A6/PTIC混合膜制備的光伏板電池載流子遷移率和電荷傳輸率分別為1.83×10-4和0.84×10-4cm2（/ Vks）。由此可以看出，A6/Y6-BO具有更高的載流子遷移率和電荷傳輸能力。

2. 2. 4激子解離與雙分子復(fù)合

圖4（a）、圖4（b）為A6/PTIC和A6/Y6-BO條件下制備新型光伏板電池激子解離結(jié)果，以及不同光強(qiáng)度下短路電流雙分子復(fù)合分析結(jié)果。

由圖4（a）可知，當(dāng)有效電壓約為3 V時(shí)，2種條件制備的光伏板電池的短路電流都達(dá)到飽和狀態(tài)，激子解離效率分別達(dá)到96.22%和92.38%，說明A6/Y6-BO具有更好的電荷產(chǎn)生效率。由圖4（b）可知，A6/PTIC和A6/Y6-BO制備的光伏板電池對應(yīng)的冪率指數(shù)值分別為0.975 0和0.943 2，說明A6/Y6-BO電荷復(fù)合更少。綜合來看，A6/Y6-BO制備的光伏板電池電荷產(chǎn)生效率和復(fù)合比更高。

3 結(jié)語

（1）所制備的A6材料的屬于寬帶隙材料，其光學(xué)帶隙為2.05 eV；

（2）引入二酮異吲哚可降低材料的軌道能級(jí)，所制備的A6電化學(xué)帶隙和有效最低空軌道能級(jí)分別為2.69 eV和-3.46 eV；

（3）采用A6和Y6-BO制備光伏板電池時(shí)，當(dāng)給體材料和受體材料的質(zhì)量比為1?1.5，覆膜厚度為100 nm時(shí)，光伏板電池的最優(yōu)能量轉(zhuǎn)化效率為15.23%；當(dāng)給體材料和受體材料質(zhì)量比為1?2，覆膜厚度為100 nm時(shí)，光伏板電池的最優(yōu)能量轉(zhuǎn)化效率為11.37%；

（4）A6和Y6-BO材料制備的光伏板電池相較于A6和PTIC制備的光伏板電池，具有高功率轉(zhuǎn)換效率，整體高了4.38 mA/cm2；

（5）相較于A6以及A6和PTIC制備的光伏板電池，A6和Y6-BO材料制備的光伏板電池具有更高的載流子遷移率和電荷傳輸能力，分別為2.40×10-4和1.40×10-4cm2（/ Vks）。本研究認(rèn)為采用A6結(jié)合Y6-BO材料制備光伏板電池可更好地提高電池效率。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 陳舒涵，劉曉春，王麗娜，等.鈣鈦礦材料在熱載流子太陽能電池中的研究進(jìn)展[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2023，60（13）：264-275.

[2] 何韋，陳飛，李鴻祥，等.基于三氟苯甲酸自組裝陽極界面層的高性能有機(jī)太陽能電池[J].高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào)，2023，44（7）：103-109.

[3] 潘婧，蘇麗君，杜麗勇，等.基于太陽能電池用稀土摻雜量子點(diǎn)材料的制備及光電性能研究[J].功能材料，2023，54（6）：6224-6229.

[4] 徐曉華，楊金利，周春蘭，等.太陽能電池的電勢誘導(dǎo)衰減研究進(jìn)展[J].人工晶體學(xué)報(bào)，2023，52（6）：997-1006.

[5] 孫安欣.新型寬帶隙聚合物給體材料的合成及在有機(jī)太陽能電池中光伏性能研究[D].昆明：云南大學(xué)，2021.[6] 崔青霄，孫健.聚光鈣鈦礦疊層太陽能電池性能數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀[J].中國陶瓷工業(yè)，2023，30（5）：59-63.

[7] 張倫，呂梅，朱俊. Cs2AgBiBr6鈣鈦礦太陽能電池研究進(jìn)展[J].無機(jī)材料學(xué)報(bào)，2023，38（9）：1044-1054.

[8] 朱小鋒，劉珉強(qiáng)，許獻(xiàn)國. GaAs太陽能電池中子輻照效應(yīng)研究[J].現(xiàn)代應(yīng)用物理，2023，14（2）：189-192.

[9] 于舜，侯榮旭，郭朋偉，等.基于特征選擇和電力視覺的太陽能電池板轉(zhuǎn)動(dòng)策略[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2023，45（3）：336-341.

[10] 張沛松，張海燕，孫彬文，等.光入射角及塵埃對太陽能電池月塵探測器的影響研究[J].真空與低溫，2023，29（4）：399-405.

[11] 陳林夕，李馨雨，楊玉露，等.柔性太陽能電池生物質(zhì)基底材料的研究進(jìn)展[J].造紙科學(xué)與技術(shù)，2023，42（2）：1-5.

[12] 李繼利，付芳.硅基太陽能電池組件封裝綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)——以洛陽理工學(xué)院材料物理專業(yè)為例[J].科技風(fēng)，2023（5）：55-57.

[13] 周平，周林，安文俊.刻蝕工藝參數(shù)對單晶硅太陽能電池性能影響[J].西安文理學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，26（2）：44-47.

[14] 楊遠(yuǎn)航，江先陽.氧化硅鈍化的反式鈣鈦礦太陽能電池制備與性能[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（理學(xué)版），2023，69（4）：519-526.

[15] 鄒先國，劉健，盧發(fā)興.電磁脈沖彈對飛艇太陽能電池毀傷效果分析[J].火力與指揮控制，2023，48（3）：107-112.

[16] 蔣超凡，易陳誼.半透明鈣鈦礦太陽能電池關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2023，43（5）：1739-1754.

[17] 周偉靜，文明，常浩，等.皮秒脈沖激光輻照太陽能電池?fù)p傷特性實(shí)驗(yàn)研究（特邀）[J].紅外與激光工程，2023，52（2）：9-18.

[18] 曹希文，張雅希，楊小國，等.無機(jī)薄膜太陽能電池光伏材料的研究進(jìn)展[J].中國陶瓷工業(yè)，2023，30（1）：48-56.

[19] 施其鋒，郭森，唐舫成，等.光伏組件封裝用熱塑性聚烯烴膠膜的制備及性能研究[J].粘接，2020，43（7）：6-8.

[20] 劉鐵軍，王峰會(huì)，趙翔.太陽能電池與層合板膠接拉伸性能的數(shù)值模擬[J].粘接，2015，36（2）：47-50.