溶液法對(duì)陽(yáng)極界面修飾提高聚合物太陽(yáng)能電池性能的研究

【摘要】：有機(jī)太陽(yáng)能電池因其成本低,易加工,柔性可卷曲等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛關(guān)注。雖然目前部分聚合物太陽(yáng)能電池的效率已超過(guò)10%,但是距離商業(yè)化生產(chǎn)仍存在較大改進(jìn)空間。界面修飾作為提高電池效率的重要環(huán)節(jié)是目前研究的熱點(diǎn)。本文使用V2O5、DNA等納米材料制作了新型陽(yáng)極緩沖材料并對(duì)其修飾效果和作用機(jī)理進(jìn)行了研究。本文采用溶液法制備緩沖層對(duì)聚合物太陽(yáng)能電池陽(yáng)極進(jìn)行修飾,分別采用V2O5納米線,Pb S量子點(diǎn),DNA-CTMA三種不同類型的材料對(duì)陽(yáng)極進(jìn)行修飾。首先使用無(wú)機(jī)材料部分取代PEDOT:PSS,然后使用有機(jī)材料部分取代,最終達(dá)到使用有機(jī)環(huán)保材料完全取代PEDOT:PSS的目的。討論了幾種材料對(duì)于電池陽(yáng)極空穴傳導(dǎo),光吸收的提高,從而提高電池性能的機(jī)理。并且探究合適的材料取代PEDOT:PSS作為陽(yáng)極緩沖層材料,最終使用PSS摻雜DNA-CTMA,達(dá)到了與PEDOT:PSS作為緩沖層相當(dāng)?shù)男Ч?為未來(lái)新型緩沖層材料的開(kāi)發(fā)制備開(kāi)辟了新的道路。首先使用V2O5納米線無(wú)機(jī)材料部分取代PEDOT:PSS,制備了一種新型的PEDOT:PSS/V2O5納米線緩沖層。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)電池結(jié)構(gòu)為ITO/PEDOT:PSS/V2O5/P3H T:PCBM/Al。使用一層V2O5納米線層旋涂在PEDOT:PSS之上,制成雙層混合緩沖層。相比以PEDOT:PSS作為緩沖層的器件,雙層混合緩沖層的加入,聚合物太陽(yáng)能電池的PCE提高了14.10%。與V2O5粉末作為緩沖層的器件相比,混合緩沖層器件PCE提高了30.40%。PCE的提高主要來(lái)自于短路電流的提高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,V2O5納米線的緩沖層不僅增加了電荷傳輸速率,而且通過(guò)增強(qiáng)入射光的反射與折射,提高了活性層的光吸收。并且V2O5納米線的加入提高了器件的穩(wěn)定性。在今后的研究中,可以繼續(xù)研究其他納米線材料在聚合物太陽(yáng)能電池中的制絨效果。V2O5納米線的加入起到了很好的效果,但是在大量報(bào)道中,量子點(diǎn)也可以起到很好的陽(yáng)極修飾效果,作為不同形貌結(jié)構(gòu)的材料,失去了制絨效果,也能起到很好的陽(yáng)極修飾作用。于是制備了Pb S量子點(diǎn),分別使用油酸(OA)和辛胺(OCA)作為配體,觀察不同配體量子點(diǎn)的微觀形貌和光吸收譜。并使用量子點(diǎn)修飾太陽(yáng)能電池ITO陽(yáng)極和活性層。Pb S量子點(diǎn)摻入P3HT:PCBM體系后,可吸收整個(gè)可見(jiàn)光,還能拓展對(duì)紅外吸收;另外硫化鉛量子點(diǎn)摻入該體系后,Pb S量子點(diǎn)與P3HT、PCBM、Al這三種材料的界面處都會(huì)形成內(nèi)建電場(chǎng),從而使吸收了光的硫化鉛量子點(diǎn)產(chǎn)生的激子能夠更有效的解離。同時(shí),在ITO與PEDOT:PSS之間增加一層量子點(diǎn)緩沖層。Pb S的PH在7.4左右,相比PEDOT:PSS(PH在1.4左右)旋涂在ITO表面能夠更好得保護(hù)電極,并且使得電極表面更加平整。結(jié)構(gòu)為ITO/Pb SQDs/PEDOT:PSS/P3HT,PCBM,Pb SQDs/Al,相比不加量子點(diǎn)的傳統(tǒng)電池,PCE提高了30.40%,Voc提高了4.76%,Jsc提高了22.55%。與傳統(tǒng)器件相比,摻入Pb S量子點(diǎn)的器件在300到700 nm之間的的光吸收略高一些。同樣,這種Pb S量子點(diǎn)摻入的電池EQE在500 nm處比PEDOT:PSS緩沖層器件更高。得到一種新型的陽(yáng)極修飾方式和活性層處理方式。之前的兩種材料都起到了很好的陽(yáng)極修飾和器件性能提高效果,但是V2O5納米線與Pb S量子點(diǎn)都是人工合成的毒性材料,對(duì)人體健康和環(huán)境保護(hù)都有不好的效果,因此接下來(lái)采用了DNA這種生物材料做為新的陽(yáng)極緩沖層材料。使用全溶液法將deoxyribonucleic acid(DNA)–hexadecyltrimethyl ammonium(CTMA)與poly(3,4-ethylenediox-ythiophene)poly(styrenesulfonate)(PEDOT:PSS)相結(jié)合,制備成PEDOT:PSS/DNA-CTMA雙層緩沖層,涂覆在ITO和活性層之間。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)為ITO/PEDOT:PSS/DNA-CTMA/P3HT:PCBM/Al,作為陽(yáng)極緩沖層使用在聚合物太陽(yáng)能電池中。使用雙層bio-organic緩沖層的電池PCE與常用的PEDOT:PSS作為緩沖層的電池PCE相比,提高了13.23%;而與單獨(dú)的DNA-CTMA作為緩沖層的電池PCE相比,提高了12.42%。PCE的提高主要來(lái)自于Jsc的提高。電池光吸收率在300到650 nm區(qū)間提高了,EQE在350到550 nm區(qū)間也提高了,主要由于DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)衍生其獨(dú)特光子和光學(xué)性能。與其它修飾PEDOT:PSS的緩沖層材料相比,DNA-CTMA是一種經(jīng)濟(jì)適用并且生物可降解的新型材料,具有很大的潛力。雖然DNA-CTMA與PEDOT:PSS混合緩沖層起到了很好的效果,但是依然不能取代PEDOT:PSS。在(DNA)–cetyltrimethyl ammonium(CTMA)中,摻雜poly(styrene-sulfonate)(PSS)制備成DNA-CTMA:PSS,用來(lái)代替PEDOT:PSS,作為一種新型的bio-organic陽(yáng)極緩沖層材料,應(yīng)用在全溶液法制備的聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池中,并對(duì)其電池特性進(jìn)行了研究。Voc,Jsc,FF,和PCE,是在100 m W/cm2(AM 1.5)光照下測(cè)量。與常用的PEDOT:PSS空穴傳導(dǎo)材料相比,DNA-CTMA:PSS這種bio-organic材料作為陽(yáng)極緩沖層制備的器件Jsc提高了9.20%,PCE提高了0.64%。PCE的增大主要來(lái)源于Jsc的增大。EQE在420到570 nm區(qū)間范圍有明顯提高。電池光透率在620到800 nm區(qū)間也同樣提高,主要由于DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)衍生其獨(dú)特光子和光學(xué)性能。除了具有相近的電學(xué)性能以外,作為生物可降解和可再生材料,DNA-CTMA:PSS是一種很有前途的替代PEDOT:PSS的聚合物太陽(yáng)能電池陽(yáng)極緩沖層材料。最后對(duì)本文的工作進(jìn)行總結(jié),闡述研究工作中還存在的不足之處,并對(duì)將來(lái)的研究工作提出展望。 【關(guān)鍵詞】：聚合物太陽(yáng)能電池 V2O5 PbS DNA-CTMA 陽(yáng)極緩沖層
【學(xué)位授予單位】：西南大學(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】：

• 摘要6-9
• ABSTRACT9-13
• 1 緒論13-37
• 1.1 太陽(yáng)能電池研究背景現(xiàn)狀13
• 1.2 太陽(yáng)能電池的工作原理13-14
• 1.3 太陽(yáng)能電池的主要性能參數(shù)14-16
• 1.3.1 等效電路14-15
• 1.3.2 性能參數(shù)15-16
• 1.4 太陽(yáng)能電池的分類16-20
• 1.4.1 無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池16-18
• 1.4.2 有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化太陽(yáng)能電池18-19
• 1.4.3 有機(jī)太陽(yáng)能電池19-20
• 1.5 聚合物太陽(yáng)能電池研究現(xiàn)狀20-33
• 1.5.1 PEDOT:PSS21-22
• 1.5.2 陽(yáng)極緩沖層22-24
• 1.5.3 PEDOT:PSS的優(yōu)化處理24-27
• 1.5.4 其他有機(jī)材料27-30
• 1.5.5 自組裝膜30-31
• 1.5.6 無(wú)機(jī)材料31-33
• 1.6 本論文的主要研究工作33-35
• 1.7 本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)35-37
• 2 電池的制備及測(cè)量37-45
• 2.1 聚合物太陽(yáng)能電池的制備37-41
• 2.2 聚合物太陽(yáng)能電池光電性能等參數(shù)的測(cè)量41-45
• 3 雙層PEDOT:PSS/V_2O_5納米線層作為聚合物太陽(yáng)能電池陽(yáng)極緩沖層的研究45-59
• 3.1 引言45-46
• 3.2 實(shí)驗(yàn)步驟46-49
• 3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論49-57
• 3.3.1 器件結(jié)構(gòu)49-50
• 3.3.2 器件性能50-52
• 3.3.3 雙層緩沖層的微觀結(jié)構(gòu)52-56
• 3.3.4 V_2O_5納米線緩沖層器件優(yōu)化56-57
• 3.4 本章小結(jié)57-59
• 4 PbS量子點(diǎn)修飾聚合物太陽(yáng)能電池陽(yáng)極和活性層的研究59-71
• 4.1 引言59-60
• 4.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程60-64
• 4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論64-69
• 4.3.1 器件結(jié)構(gòu)64-65
• 4.3.2 器件性能65-69
• 4.4 本章小結(jié)69-71
• 5 PEDOT:PSS/DNA-CTMA雙層緩沖層作為聚合物太陽(yáng)能電池陽(yáng)極緩沖層的研究71-83
• 5.1 引言71-72
• 5.2 實(shí)驗(yàn)步驟72-74
• 5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論74-82
• 5.3.1 器件效果74-79
• 5.3.2 緩沖層的微觀結(jié)構(gòu)79-80
• 5.3.3 DNA-CTMA緩沖層膜厚的探究80-82
• 5.4 本章小結(jié)82-83
• 6 DNA-CTMA:PSS新型緩沖層作為聚合物太陽(yáng)能電池陽(yáng)極緩沖層的研究83-95
• 6.1 引言83-84
• 6.2 實(shí)驗(yàn)步驟84-86
• 6.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論86-92
• 6.3.1 器件效果86-90
• 6.3.2 緩沖層的微觀結(jié)構(gòu)90-92
• 6.4 本章小結(jié)92-95
• 7 結(jié)論與展望95-97
• 參考文獻(xiàn)97-121
• 攻讀博士學(xué)位期間的科研情況121-123
• 致謝123-124

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