無ITO倒置聚合物太陽能電池制備與優(yōu)化的研究

【摘要】：聚合物太陽能電池在近20年得到了廣泛的關(guān)注和深入的研究,轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)突破10%的大關(guān)。相比于傳統(tǒng)的硅基太陽能電池,它擁有低成本、柔性、質(zhì)量輕等獨(dú)有特質(zhì)。如今該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)主要是：優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)、制備高性能材料、理解物理機(jī)理以及增強(qiáng)光學(xué)吸收等。本文的工作旨在充分實(shí)現(xiàn)聚合物太陽能電池的這些優(yōu)勢,為器件制備技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化打下基礎(chǔ)。在器件制備中,銦錫氧化物(ITO)透明電極在聚合物太陽能電池中有廣泛應(yīng)用,但是它在地球的儲(chǔ)量有限,成本高,且彎曲柔性有限。因此,為了解決這一問題,本文工作主要圍繞無ITO倒置型聚合物太陽能電池的制備以及優(yōu)化而展開。首先,基于光學(xué)傳輸矩陣方法,我們?yōu)闊oITO倒置型聚合物太陽能電池建立了相關(guān)光學(xué)薄膜模型,對(duì)其光學(xué)特性進(jìn)行分析和優(yōu)化。主要研究了器件中的金屬反射電極反射率對(duì)器件性能的影響、半透明器件的光學(xué)特性以及電子傳輸層光學(xué)厚度對(duì)器件吸收性能的影響。該方法對(duì)實(shí)際的器件制備具有一定的理論指導(dǎo)作用,并能對(duì)器件部分物理現(xiàn)象做出理論解釋?；谠摾碚撃M,本工作還對(duì)結(jié)構(gòu)為基板／鋁電極／氧化鈦／功能層／透明電極的無ITO倒置型聚合物太陽能電池進(jìn)行了實(shí)例的制備和工藝優(yōu)化,并進(jìn)一步研究了器件的工作穩(wěn)定性和使用壽命,創(chuàng)新性的提出了使用原子層沉積技術(shù)沉積氧化鋁薄膜作為電池的封裝層,以提高器件的壽命,工作中結(jié)合光學(xué)模擬,優(yōu)化了器件結(jié)構(gòu)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)證明了原子層沉積的氧化鋁薄膜具有卓越的水氧阻隔能力,能夠有效的延長了器件的使用壽命,促進(jìn)了商業(yè)化應(yīng)用。為了促進(jìn)實(shí)現(xiàn)電池的規(guī)?；a(chǎn),避免真空制備環(huán)境,兼容卷對(duì)卷制備工藝,全溶液法器件制備工藝是目前重要的研究方向?；诘怪眯推骷Y(jié)構(gòu)的研究基礎(chǔ),我們進(jìn)而研究了全溶液法的低成本印刷銅電極制備,用以取代傳統(tǒng)的蒸鍍金屬電極。本工作全面研究了印刷銅電極的形貌、成分、導(dǎo)電性以及抗機(jī)械彎曲特性。研究表明該電極在導(dǎo)電性和平整性上接近蒸鍍銅電極,并在彎曲特性上有大幅度的提高,通過1000次快速彎曲測試,導(dǎo)電性仍能夠保持穩(wěn)定。而且基于該電極的器件性能達(dá)到了同領(lǐng)域的領(lǐng)先水平,轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了2.77%,同時(shí)在彎曲特性上遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于基于蒸鍍銅電極的參比器件。另一方面,通過簡易、低成本的光學(xué)方法提升聚合物太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率是本文聚合物太陽能電池中著重于光學(xué)問題的一個(gè)主要研究工作。工作從三方面展開：(1)內(nèi)嵌一維光柵的聚合物太陽能電池,(2)金屬二維光柵電極的無ITO倒置型聚合物太陽能電池,(3)錐形的無ITO倒置型聚合物太陽能電池。該工作一方面通過簡單的摩擦方法在電池的空穴傳輸層內(nèi)形成一維光柵結(jié)構(gòu)以及全溶液法制備金屬銅光柵電極,實(shí)現(xiàn)了器件吸收的增強(qiáng)以及載流子遷移率的提升；另一方面充分利用了無ITO倒置型聚合物太陽能電池柔性,能在彎曲條件下工作的優(yōu)勢,將器件制備成錐形的結(jié)構(gòu),使得光線能在錐形內(nèi)部多次反射,反復(fù)被吸收,大幅度地提高了光能的利用率以及電池的性能。 【關(guān)鍵詞】：無ITO倒置型聚合物太陽能電池 商業(yè)化應(yīng)用 傳輸矩陣方法 全溶液法制備 印刷金屬電極 微納光柵金屬電極 錐形結(jié)構(gòu)器件
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 致謝5-7
• 摘要7-9
• Abstract9-18
• 第1章 緒論18-42
• 1.1 聚合物太陽能電池概述19-35
• 1.1.1 聚合物太陽能電池的發(fā)展歷程19-22
• 1.1.2 聚合物太陽能電池的光伏原理22-24
• 1.1.3 聚合物太陽能電池的性能表征24-31
• 1.1.4 聚合物太陽能電池的光學(xué)優(yōu)化31-32
• 1.1.5 聚合物太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢32-35
• 1.2 本文主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新意義35-38
• 1.2.1 主要研究內(nèi)容35-37
• 1.2.2 主要?jiǎng)?chuàng)新意義37-38
• 1.3 參考文獻(xiàn)38-42
• 第2章 聚合物太陽能電池光學(xué)模型42-61
• 2.1 引言42
• 2.2 傳輸矩陣方法42-49
• 2.3 器件模型建立與優(yōu)化49-58
• 2.3.1 無ITO倒置型器件電極反射率的影響49-52
• 2.3.2 半透明無ITO倒置型器件52-55
• 2.3.3 無ITO倒置型器件ETL厚度的影響55-58
• 2.4 本章小結(jié)58
• 2.5 參考文獻(xiàn)58-61
• 第3章 無ITO倒置型聚合物太陽能電池制備和封裝61-80
• 3.1 引言61-62
• 3.2 無ITO倒置型聚合物太陽能電池的制備62-68
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)材料62-63
• 3.2.2 制備流程63-67
• 3.2.3 性能測試與分析67-68
• 3.3 無ITO倒置型聚合物太陽能電池薄膜封裝68-76
• 3.3.1 原子層沉積封裝技術(shù)68-71
• 3.3.2 光學(xué)優(yōu)化71-73
• 3.3.3 穩(wěn)定性測試與分析73-76
• 3.4 本章小結(jié)76-77
• 3.5 參考文獻(xiàn)77-80
• 第4章 全溶液法無ITO倒置型聚合物太陽能電池80-105
• 4.1 引言80-81
• 4.2 印刷銅電極的制備81-90
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)材料81-82
• 4.2.2 制備流程82-85
• 4.2.3 薄膜表征與分析85-90
• 4.3 太陽能電池的制備90-99
• 4.3.1 實(shí)驗(yàn)材料90-92
• 4.3.2 制備流程92-94
• 4.3.3 性能測試與分析94-99
• 4.4 本章小結(jié)99-100
• 4.5 參考文獻(xiàn)100-105
• 第5章 光學(xué)結(jié)構(gòu)在聚合物太陽能電池中應(yīng)用105-130
• 5.1 引言105-106
• 5.2 內(nèi)嵌一維光柵的聚合物太陽能電池106-113
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)材料106
• 5.2.2 制備流程106-108
• 5.2.3 性能測試與分析108-112
• 5.2.4 小結(jié)112-113
• 5.3 金屬二維光柵電極的無ITO倒置型聚合物太陽能電池113-121
• 5.3.1 實(shí)驗(yàn)材料113
• 5.3.2 制備流程113-114
• 5.3.3 性能測試與分析114-121
• 5.3.4 小結(jié)121
• 5.4 錐形的無ITO倒置型聚合物太陽能電池121-126
• 5.4.1 實(shí)驗(yàn)材料121-122
• 5.4.2 制備流程122-123
• 5.4.3 性能測試與分析123-126
• 5.4.4 小結(jié)126
• 5.5 本章小結(jié)126-127
• 5.6 參考文獻(xiàn)127-130
• 第6章 總結(jié)與展望130-134
• 6.1 工作總結(jié)130
• 6.2 工作展望130-132
• 6.3 參考文獻(xiàn)132-134
• 攻讀博士學(xué)位期間主要的研究成果134-136
• 個(gè)人簡歷136

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