靜電紡絲導(dǎo)電納米纖維及聚合物太陽能電池溶液加工研究

【摘要】：聚合物太陽能電池經(jīng)過近二十年的研究，已經(jīng)在活性層材料設(shè)計、活性層形貌控制、界面修飾、透明電極等領(lǐng)域取得了很大進展。目前光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）最高的聚合物太陽能電池已經(jīng)達到商業(yè)化應(yīng)用要求。除了獲得更高的效率、探尋統(tǒng)一的器件物理解釋之外，人們開始更多的關(guān)注器件性能的穩(wěn)定性。聚合物太陽能電池的溶液加工與大面積低成本制備工藝兼容，成為了新的焦點問題。為此對緩沖層材料和金屬電極材料的化學(xué)穩(wěn)定性和溶液加工性提出了新的要求。本論文主要圍繞聚合物太陽能電池組成材料的溶液加工方法進行研究，包括活性層材料、界面層材料和金屬電極材料。此外還涉及一些器件物理以及陰極緩沖層材料的探索工作。論文的內(nèi)容包括： 1.實現(xiàn)了純聚[2-甲氧基-5(2’-乙基)己氧基-1,4-苯撐乙烯](MEH-PPV)靜電紡絲的連續(xù)制備。以氯仿/異丙醇混合溶劑進行電紡的優(yōu)勢在于，避免了非揮發(fā)性雜質(zhì)對光電器件性能產(chǎn)生的負(fù)面影響。上述二元溶劑中劣溶劑異丙醇的加入增加了MEH-PPV電紡溶液的可紡性。劣溶劑的主要作用是增加分子鏈間相互作用、提高溶液電導(dǎo)率、降低溶液表面張力。對MEH-PPV溶液和薄膜紫外熒光性能的研究發(fā)現(xiàn)，溶劑能夠顯著改變MEH-PPV鏈間的相互作用使紫外吸收峰發(fā)生移動。純MEH-PPV取向纖維在偏振熒光發(fā)光峰處的偏振比為5.9，各向異性值為0.47。上述數(shù)值明顯高于各向同性材料，說明高分子鏈優(yōu)先沿著電紡絲的長度方向排列。在MEH-PPV中混入聚己內(nèi)酯(PCL)之后，所得混合纖維的偏振比和各向異性值分別增加到11和0.66。這是因為PCL的引入減少了MEH-PPV之間的能量傳遞。純MEH-PPV電紡絲的直徑在300nm至1100nm之間，將其電紡膜用作聚合物太陽能電池活性層效果不佳。原因有電紡膜厚度較厚，存在著孔隙以及相分離控制困難的問題。靜電紡絲制備的共軛聚合物一維結(jié)構(gòu)更適于單絲器件的制備。 2.以聚合物電紡絲作為模板，通過蒸鍍金屬并去除聚合物得到了可用于透明電極的金屬網(wǎng)絡(luò)。使用的聚合物有，聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚己內(nèi)酯(PCL)和聚丙烯酸(PAA)。制得性能最優(yōu)的Ag網(wǎng)絡(luò)具有和ITO相當(dāng)?shù)碾妼?dǎo)性以及在300nm～1100nm范圍內(nèi)70%的透過率，基本滿足透明電極的要求。將Ag網(wǎng)絡(luò)用于制備P3HT：PC61BM聚合物太陽能電池，所得器件效率最高為2.0%。高于PH1000作電極的器件，低于ITO電極的器件。主要原因是Ag網(wǎng)絡(luò)表面粗糙度較大，PH1000的厚度需要優(yōu)化以降低電極的表面粗糙度，減少漏電的發(fā)生以進一步提高填充因子等性能參數(shù)。 3.將一種可溶液加工的鐵電聚合物——聚偏氟乙烯六氟丙烯(P(VDF-HFP))用作聚合物太陽能電池的電極緩沖層。P(VDF-HFP)具有良好的成膜性、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)、廣泛的商業(yè)來源并能提供可控的界面偶極。紫外光電子能譜和功函數(shù)測試表明，溶劑處理和P(VDF-HFP)都能在退火的P3HT:PC61BM表面引入附加偶極，使活性層/金屬界面更有利于陰極接觸。使用P(VDF-HFP)進行陰極界面修飾的效果略高于含有LiF的器件?？紤]到P(VDF-HFP)能夠?qū)ν饨珉妶鲎龀鲰憫?yīng)并改變偶極方向，我們將其用于反向器件的陽極緩沖層。所得反向器件在一開始具有很低的效率，但是隨著Ag電極的氧化和P(VDF-HFP)的正極化過程，器件效率逐漸升高，最終和蒸鍍MoO3的標(biāo)準(zhǔn)器件PCE相當(dāng)。在穩(wěn)定性上，含有P(VDF-HFP)的器件高于其他類型的器件。器件放置120天后，含有P(VDF-HFP)并經(jīng)歷正極化的器件PCE為2.4%，高于含有MoO3的標(biāo)準(zhǔn)器件。我們使用整體電荷轉(zhuǎn)移(ICT)模型解釋了偶極與表面真空能級移動、電極接觸之間的關(guān)系。對P(VDF-HFP)作用的機理進行了理論解釋，由此說明P(VDF-HFP)通過簡單的電場極化調(diào)控能夠成為通用的緩沖層材料。 4.對聚合物太陽能電池的陰極界面修飾進行了一些探索。對于反向電池的陰極修飾層ZnO，通過plasma處理能夠提高器件的開路電壓和填充因子，使電池PCE提高。其作用機理可能與plasma的清潔作用或新生成的含氧基團有關(guān)。將聚偏氟乙烯(PVDF)或P(VDF-HFP)旋涂在ZnO的表面能夠提高器件的開路電壓和穩(wěn)定性。正極化過程則能使器件的開路電壓進一步提高。我們還探索了一些材料用作正向電池陰極修飾層的可能性，包括富含羥基的D-甘露糖醇、富含氨基的三聚氰胺、含有羥基和羧基的D-絲氨酸、NaCl、KBr、PVDF和P(VDF-HFP)。其中甘露糖醇有陰極緩沖層的作用，但效果低于LiF。而NaCl、KBr、PVDF和P(VDF-HFP)則具有和LiF等同的效果。在陰極一側(cè)引入Ag等離子體能使器件性能相對提高10%。 【關(guān)鍵詞】：聚合物太陽能電池 溶液加工性 靜電紡絲 透明電極 界面修飾
【學(xué)位授予單位】：南昌大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第1章 緒論11-44
• 1.1 引言11-12
• 1.2 聚合物太陽能電池12-27
• 1.2.1 聚合物太陽能電池器件參數(shù)12-14
• 1.2.2 聚合物太陽能電池的工作原理和結(jié)構(gòu)14-16
• 1.2.3 聚合物太陽能電池活性層材料16-19
• 1.2.4 聚合物太陽能電池活性層形貌調(diào)控19-20
• 1.2.5 聚合物太陽能電池電極界面調(diào)控20-26
• 1.2.6 溶液法制備太陽能電池的重要性26-27
• 1.2.7 聚合物太陽能電池中的透明電極27
• 1.3 基于納米絲的太陽能電池和一維 P-N 結(jié)27-29
• 1.4 靜電紡絲及其在聚合物太陽能電池中的應(yīng)用29-42
• 1.4.1 靜電紡絲：制備一維微納米結(jié)構(gòu)的通用方法31
• 1.4.2 靜電紡絲裝置31-33
• 1.4.3 靜電紡絲過程機理33-36
• 1.4.4 靜電紡絲影響因素36-40
• 1.4.5 靜電紡絲制備共軛聚合物納米絲40-41
• 1.4.6 靜電紡絲在光電器件的應(yīng)用41-42
• 1.5 研究內(nèi)容和創(chuàng)新性42-44
• 第2章 活性層材料的靜電紡絲制備及性能研究44-69
• 2.1 引言44-45
• 2.2 實驗原料及表征手段45-50
• 2.2.1 實驗藥品45-46
• 2.2.2 實驗儀器及表征手段46-47
• 2.2.3 MEH-PPV 的合成47-48
• 2.2.4 電紡溶液和表征樣品制備48-49
• 2.2.5 MEH-PPV 的靜電紡絲49-50
• 2.2.6 以 MEH-PPV 電紡絲為活性層聚合物太陽能電池的制備50
• 2.3 結(jié)果與討論50-68
• 2.3.1 MEH-PPV 的結(jié)構(gòu)表征50-52
• 2.3.2 MEH-PPV 溶液和旋涂膜的紫外熒光性能52-55
• 2.3.3 影響 MEH-PPV 靜電紡絲的因素55-63
• 2.3.4 MEH-PPV 靜電紡絲膜的熒光性能63-67
• 2.3.5 MEH-PPV 靜電紡絲膜用作太陽能電池的活性層67-68
• 2.4 本章小結(jié)68-69
• 第3章 靜電紡絲制備聚合物太陽能電池透明電極69-78
• 3.1 引言69-70
• 3.2 實驗部分70-72
• 3.2.1 實驗藥品70
• 3.2.2 實驗儀器及表征手段70-71
• 3.2.3 靜電紡絲制備透明電極71
• 3.2.4 器件制備71-72
• 3.3 結(jié)果與討論72-77
• 3.3.1 靜電紡絲形貌72-73
• 3.3.2 透明電極基本性能73-77
• 3.3.3 透明電極用于聚合物太陽能電池77
• 3.4 本章小結(jié)77-78
• 第4章 溶液加工鐵電性聚合物作為緩沖層及偶極調(diào)控研究78-98
• 4.1 引言78-80
• 4.2 實驗部分80-83
• 4.2.1 實驗藥品80
• 4.2.2 實驗儀器及表征手段80-81
• 4.2.3 表征樣品和太陽能電池制備81-83
• 4.3 結(jié)果與討論83-97
• 4.3.1 P(VDF-HFP)用作正向器件陰極緩沖層83-93
• 4.3.2 P(VDF-HFP)用作反向器件陽極緩沖層93-97
• 4.4 本章小結(jié)97-98
• 第5章 聚合物太陽能電池陰極緩沖層材料探索98-109
• 5.1 引言98-99
• 5.2 實驗部分99-101
• 5.2.1 實驗藥品99-100
• 5.2.2 實驗儀器及表征手段100
• 5.2.3 太陽能電池制備100-101
• 5.3 結(jié)果與討論101-108
• 5.3.1 反向器件中 ZnO 界面的處理101-103
• 5.3.2 含有特殊官能團的物質(zhì)修飾正向器件陰極103-104
• 5.3.3 堿金屬鹵化物和鐵電聚合物作為陰極緩沖層104-105
• 5.3.4 Ag 對陰極界面的修飾105-106
• 5.3.5 器件制備和測試過程中的一些影響因素106-108
• 5.4 小結(jié)108-109
• 第6章 結(jié)論與展望109-111
• 6.1 結(jié)論109-110
• 6.2 展望110-111
• 致謝111-113
• 參考文獻113-129
• 攻讀學(xué)位期間的研究成果129

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