聚合物太陽(yáng)能電池性能研究及壓印器件的工藝探索

【摘要】：聚合物太陽(yáng)能電池共混活性層中存在尺度從納米到微米級(jí)別的相分離,對(duì)激子的分離效率和電荷的傳輸極其不利。理想穿插網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)活性層在很大程度上克服了共混結(jié)構(gòu)存在的諸多問(wèn)題,已逐漸成為這一領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),吸引了大量的國(guó)內(nèi)外研究。納米壓印技術(shù)是控制活性層納米形貌,制備雙層穿插理想結(jié)構(gòu)的一種簡(jiǎn)單易行的方法。此技術(shù)不僅可以通過(guò)改變納米結(jié)構(gòu)模版的尺寸調(diào)控界面接觸面積,而且壓印誘導(dǎo)的聚合物分子取向變化可有效改善空穴遷移率。雙壓印技術(shù)制備雙層穿插結(jié)構(gòu)活性層已取得了不錯(cuò)的研究成果,但同時(shí)也存在不足的地方需要進(jìn)一步改進(jìn)。本文以構(gòu)建高性能的穿插網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)能電池為最終目的展開(kāi)一系列工作,主要內(nèi)容包括： (1)納米壓印工藝通常是在空氣中進(jìn)行,為構(gòu)建高性能的雙層穿插結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)能電池,應(yīng)盡量避免使用對(duì)空氣敏感以及對(duì)器件穩(wěn)定性不利的材料。因此本文首先基于共混原型器件對(duì)界面和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。采用新型共軛聚電解質(zhì)取代低功函金屬,成功應(yīng)用到聚合物太陽(yáng)能電池的陰極界面。通過(guò)考察界面層厚度、結(jié)構(gòu)對(duì)器件光伏性能的影響,得出具有PEO衍生側(cè)鏈和陰離子基團(tuán)的PFEOSO3Na可獲得最佳的器件性能。以PFEOSO3Na為例,研究了熱退火順序?qū)缑鎸有蚊埠凸夥阅艿挠绊?結(jié)果表明親水電解質(zhì)和疏水活性層之間的不相容性使得界面層形貌具有較大的退火依賴性,從而導(dǎo)致器件性能的差異。將PFEOSO3Na應(yīng)用于窄帶隙活性層體系,初步證實(shí)了它的普適性。 (2)此外,為避免酸性PEDOT:PSS空穴傳輸層對(duì)ITO表面的腐蝕和對(duì)器件壽命的影響,本文也以超薄鋁膜修飾的AZO導(dǎo)電玻璃為底電極成功制備了新型的反式結(jié)構(gòu)器件。通過(guò)AZO和AZO/Al前處理以及超薄鋁膜厚度的優(yōu)化,器件效率可達(dá)到3.84%。表面電勢(shì)表征證明超薄鋁膜可以大大降低AZO的功函?；诨钚詫覲3HT:ICBA對(duì)不同結(jié)構(gòu)器件進(jìn)行比較,結(jié)果顯示此復(fù)合電極制備的反式器件可獲得與ITO傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)媲美的器件性能,進(jìn)一步證實(shí)了其廣闊的應(yīng)用前景。 (3)理想雙層穿插結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)能電池是在雙層平板結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的改進(jìn),因此很有必要先對(duì)雙層平板參比器件進(jìn)行優(yōu)化?；赑3HT/PCBM活性層對(duì)雙層平板器件進(jìn)行了性能優(yōu)化。通過(guò)調(diào)節(jié)受體PCBM厚度,退火溫度以及給體P3HT厚度,最終雙層平板器件的能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到2.7%。在P3HT中加入甲醇,研究了其對(duì)空穴遷移率和雙層器件性能的影響。 (4)利用微納加工工藝探索并優(yōu)化了納米壓印模版的制備工藝。通過(guò)對(duì)曝光劑量、刻蝕工藝等的優(yōu)化,采用直接法和金屬轉(zhuǎn)移法均實(shí)現(xiàn)了大面積、超精細(xì)的小尺寸圖形陣列,圖形的最小直徑可達(dá)到20nm,周期為50nm,這在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先水平。優(yōu)化的工藝對(duì)以后小尺寸微納結(jié)構(gòu)的制備具有一定指導(dǎo)意義。 (5)采用雙壓印技術(shù)制備雙層穿插結(jié)構(gòu)活性層的前提是構(gòu)建出給體(或受體)的納米結(jié)構(gòu)陣列。首先對(duì)模版表面氟化處理,以改善其表面防粘性。為避免硅基模版在壓印過(guò)程中的污染和損壞,本文采用ormostamp對(duì)模版進(jìn)行了復(fù)制,通過(guò)工藝優(yōu)化獲得高度均勻規(guī)整的硬膜板結(jié)構(gòu),并基于熱壓印技術(shù)對(duì)壓印溫度和壓力進(jìn)行優(yōu)化,最終實(shí)現(xiàn)了周期100nm,線寬或直徑50nm的P3HT、PCBM和ICBA的結(jié)構(gòu)陣列。 【關(guān)鍵詞】：聚合物太陽(yáng)能電池 界面層 AZO 超薄鋁膜 雙層器件 電子束曝光ormostamp 納米壓印
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(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4-6
• Abstract6-12
• 1 緒論12-39
• 1.1 引言12-13
• 1.2 聚合物太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)介13-16
• 1.2.1 聚合物太陽(yáng)能電池的基本原理13-14
• 1.2.2 聚合物太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)14-15
• 1.2.3 聚合物太陽(yáng)能電池的性能表征15-16
• 1.3 聚合物太陽(yáng)能電池的發(fā)展歷程16-18
• 1.4 改善聚合物太陽(yáng)能電池器件性能的方法18-29
• 1.4.1 改善光的吸收19-20
• 1.4.2 活性層形貌的控制20-25
• 1.4.3 界面修飾25-29
• 1.5 納米壓印在聚合物太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用簡(jiǎn)介29-37
• 1.5.1 納米壓印簡(jiǎn)介29-30
• 1.5.2 納米壓印雙層器件30-33
• 1.5.3 共混型壓印器件33-34
• 1.5.4 圖案化電極34
• 1.5.5 納米壓印對(duì)D/A界面和分子取向的影響34-37
• 1.6 本論文的設(shè)計(jì)思想與主要內(nèi)容37-39
• 2 共混型太陽(yáng)能電池的陰極界面和器件結(jié)構(gòu)研究39-65
• 2.1 共軛聚電解質(zhì)作為陰極界面層的聚合物太陽(yáng)能電池39-51
• 2.1.1 引言39-40
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)部分40-42
• 2.1.3 結(jié)果與討論42-51
• 2.2 超薄鋁膜修飾的AZO為底電極的反式結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)能電池51-63
• 2.2.1 引言51-52
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)部分52-53
• 2.2.3 結(jié)果與討論53-63
• 2.3 本章小結(jié)63-65
• 3 雙層平板太陽(yáng)能電池的性能研究65-78
• 3.1 引言65
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分65-67
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)所用材料與試劑65-66
• 3.2.2 器件制備流程66
• 3.2.3 器件表征66-67
• 3.3 雙層器件結(jié)果與討論67-77
• 3.3.1 PCBM厚度對(duì)雙層器件光伏性能的影響67-68
• 3.3.2 退火溫度對(duì)雙層器件光伏性能和表面形貌的影響68-71
• 3.3.3 P3HT厚度對(duì)雙層器件光伏性能的影響71-73
• 3.3.4 甲醇添加劑對(duì)雙層器件性能的影響73-77
• 3.4 本章小結(jié)77-78
• 4 納米壓印模版的制備工藝探索78-96
• 4.1 引言78-79
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分79-81
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)所用材料及設(shè)備79
• 4.2.2 模版制備流程79-81
• 4.3 直接法制備模版的工藝探索81-86
• 4.3.1 電子束曝光劑量對(duì)圖形橫向尺寸的影響81-83
• 4.3.2 ICP 刻蝕條件對(duì)圖形縱向尺寸的影響83-85
• 4.3.3 圖案化的HSQ直接作為模版85-86
• 4.4 金屬化轉(zhuǎn)移法制備模版的工藝探索86-95
• 4.4.1 光闌孔徑對(duì)圖形尺寸的影響86-88
• 4.4.2 電子束曝光劑量對(duì)圖形尺寸的影響88-91
• 4.4.3 剝離工藝溶劑的選擇91-93
• 4.4.4 反應(yīng)離子刻蝕對(duì)圖形縱向尺寸的影響93-94
• 4.4.5 最終制備的硅基模版陣列結(jié)構(gòu)94-95
• 4.5 本章小結(jié)95-96
• 5 納米壓印給體和受體陣列的工藝探索96-111
• 5.1 引言96-97
• 5.2 納米壓印工藝所用材料及設(shè)備97
• 5.3 納米壓印工藝過(guò)程及結(jié)果討論97-109
• 5.3.1 模版表面的防粘處理97-100
• 5.3.2 ormostamp模版復(fù)制100-103
• 5.3.3 給體P3HT的壓印工藝及優(yōu)化103-108
• 5.3.4 受體材料的壓印工藝及優(yōu)化108-109
• 5.4 本章小結(jié)109-111
• 6 總結(jié)與展望111-114
• 致謝114-115
• 參考文獻(xiàn)115-130
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表論文130

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