有機(jī)太陽能電池的理論模擬及旋涂/靜電噴霧法制備

【摘要】：隨著人類對(duì)能源的需求和消耗不斷增加，研發(fā)清潔、綠色且低成本的新能源具有重要意義。有機(jī)太陽能電池（OSC）生產(chǎn)成本低、可制備成柔性和便攜式器件，并具有卷對(duì)卷生產(chǎn)的潛力，是新能源領(lǐng)域最富發(fā)展前景的研究方向之一。為進(jìn)一步提高OSC器件效率，并促進(jìn)有機(jī)太陽能電池的實(shí)用化進(jìn)程，當(dāng)前對(duì)OSC器件的研究主要集中在四個(gè)方面：開發(fā)具有寬光譜、高載流子遷移率的活性材料；通過理論模擬優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)；采用電極修飾材料提高電荷傳輸和收集效率；研究能夠制備柔性基底／大面積器件的生產(chǎn)制備方法。本文主要對(duì)OSC器件的理論模擬、電極修飾，以及靜電噴霧法制備進(jìn)行了研究。 對(duì)OSC器件的光電轉(zhuǎn)換過程建立理論模型進(jìn)行仿真模擬，將理論仿真結(jié)果與器件實(shí)驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合，將有助于理解器件工作機(jī)理，優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，指導(dǎo)器件實(shí)驗(yàn)的方向。理論模擬方面，本文通過理論模型和數(shù)值模擬對(duì)器件進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。首先根據(jù)光學(xué)模型和電學(xué)模型，設(shè)計(jì)出能夠?qū)SC器件中電磁場(chǎng)分布和器件效率進(jìn)行仿真計(jì)算的軟件系統(tǒng)。通過理論模擬對(duì)平面異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從理論上得到了給體、受體和陰極緩沖層的優(yōu)化厚度，以及器件中光強(qiáng)分布隨各層薄膜厚度的變化規(guī)律。通過與器件實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，分析了基于CuPc/C60的雙層異質(zhì)結(jié)OSC器件性能與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。所用的分析方法具有創(chuàng)新性，該方法及所設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)可應(yīng)用于具有不同材料、不同結(jié)構(gòu)活性層的OSC器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能仿真，對(duì)于OSC器件工作機(jī)理的理解和實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)都具有重要意義。 采用旋涂法制備器件活性層，并首次采用Zn4O(AID)6材料作為基于P3HT：PCBM的本體異質(zhì)結(jié)器件的陰極修飾層，實(shí)驗(yàn)證明該材料可有效提高器件效率達(dá)70％。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與光學(xué)模擬結(jié)果相結(jié)合，分析了該陰極修飾層能夠提高器件效率的原因。結(jié)果表明Zn4O(AID)6可用來對(duì)OSC器件的陰極進(jìn)行修飾，同時(shí)，理論模擬可作為探究OSC器件工作機(jī)理的有效工具。 同旋涂法相比，靜電噴霧（ES）法具有工藝過程可控、可實(shí)現(xiàn)自組裝納米結(jié)構(gòu)、成本低、材料浪費(fèi)少等優(yōu)點(diǎn)，且易于制備大面積和柔性基底的器件，對(duì)未來OPV的實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化具有重大意義。利用靜電噴霧法制備有機(jī)太陽能電池活性層，并對(duì)所用的溶劑體系進(jìn)行了優(yōu)化。首次以醋酸作為添加劑，用靜電噴霧法制備有機(jī)太陽能電池器件中P3HT:PCBM活性層。通過對(duì)活性層形貌和器件性能進(jìn)行表征分析，結(jié)果表明以醋酸做為添加劑制備的器件優(yōu)于其他添加劑，并得到了最佳配比的溶劑體系，制備出器件的效率（2.99±0.08%）與旋涂法制備的器件效率（3.12±0.09%）接近，顯著高于在空氣中旋涂制備活性層的器件效率（2.44±0.12%）。對(duì)ES法制備的器件和旋涂法制備的器件進(jìn)行了穩(wěn)定性比較，結(jié)果表明ES制備的器件在空氣中更加穩(wěn)定。 系統(tǒng)研究了靜電噴霧法的工藝過程對(duì)活性層形貌和器件性能的影響。首先推導(dǎo)出了靜電噴霧的霧滴蒸發(fā)過程的Damkh ler參數(shù)顯式表達(dá)式。然后，通過調(diào)節(jié)ES過程的流量和基板溫度，改變與溶劑揮發(fā)速度有關(guān)的Damkh ler參數(shù)，控制活性層形貌。得到了為形成有利于光伏效應(yīng)的活性層，Damkh ler參數(shù)應(yīng)滿足的條件，以及相應(yīng)的ES工藝參數(shù)。并對(duì)ES法制備的活性層厚度進(jìn)行了優(yōu)化研究。在溶劑系統(tǒng)和工藝參數(shù)優(yōu)化的條件下，在空氣中用ES法制備出的器件效率（3.09±0.11%）與旋涂法在氮?dú)猸h(huán)境制備的器件效率接近。研究結(jié)果表明ES法可以取代旋涂法來制備OSC器件，并且可以通過對(duì)ES工藝過程參數(shù)的調(diào)節(jié)來有效控制活性層形貌。最后，利用靜電噴霧法制備出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)活性層的OSC器件，其中具有多層結(jié)構(gòu)活性層的器件效率達(dá)3.23±0.08%，具有梯度濃度分布活性層的器件效率達(dá)3.39±0.11%。結(jié)果表明ES能夠方便地制備具有多層分層結(jié)構(gòu)或梯度濃度分布的活性層，形成更有利于電荷的傳輸和收集的活性層結(jié)構(gòu)，從而提高器件效率。 本論文將理論模擬與器件制備實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，通過研究OSC器件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、電極修飾和靜電噴霧制備方法，在提高器件效率和開發(fā)實(shí)用化生產(chǎn)制備方法方面得到了創(chuàng)新性的成果，為制備高效率、柔性基底和大面積有機(jī)太陽能電池的研究奠定了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。 【關(guān)鍵詞】：有機(jī)太陽能電池 數(shù)值模擬 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 靜電噴霧 活性層形貌
【學(xué)位授予單位】：南京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 專用術(shù)語注釋表13-16
• 第一章 緒論16-33
• 1.1 研究背景16-18
• 1.2 有機(jī)太陽能電池發(fā)展歷史18-19
• 1.3 有機(jī)太陽能電池工作機(jī)理19-26
• 1.3.1 有機(jī)太陽能電池光電轉(zhuǎn)換過程19-22
• 1.3.2 有機(jī)太陽能電池器件結(jié)構(gòu)22-25
• 1.3.3 有機(jī)太陽能電池器件的性能表征25-26
• 1.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述26-30
• 1.4.1 活性材料27
• 1.4.2 界面修飾與器件結(jié)構(gòu)27-28
• 1.4.3 理論模擬與器件優(yōu)化設(shè)計(jì)28-29
• 1.4.4 器件制備與靜電噴霧法在有機(jī)太陽能電池中的應(yīng)用29-30
• 1.5 本論文的研究思路與主要工作30-33
• 第二章 材料以及器件制備和測(cè)試表征33-47
• 2.1 材料33-36
• 2.1.1 給體材料33-34
• 2.1.2 受體材料34-35
• 2.1.3 界面修飾材料35-36
• 2.2 器件制備36-42
• 2.2.1 基片制備與清洗36-37
• 2.2.2 基片預(yù)處理37
• 2.2.3 旋涂37-38
• 2.2.4 靜電噴霧38-41
• 2.2.5 真空蒸鍍41-42
• 2.3 器件測(cè)試與表征42-46
• 2.3.1 電流–電壓（J–V）特性測(cè)量42-43
• 2.3.2 IPCE 測(cè)量43
• 2.3.3 吸收光譜的測(cè)量43-44
• 2.3.4 原子力顯微鏡（AFM）44
• 2.3.5 X 射線衍射（XRD）44-45
• 2.3.6 薄膜厚度的測(cè)量45
• 2.3.7 光學(xué)顯微鏡（OM）45-46
• 2.4 本章小結(jié)46-47
• 第三章 理論模型及其數(shù)值解法47-65
• 3.1 理論模型47-54
• 3.1.1 光學(xué)模型47-50
• 3.1.2 電學(xué)模型50-54
• 3.2 數(shù)值解法54-64
• 3.2.1 方程的離散化54-57
• 3.2.2 泊松方程和擴(kuò)散–漂移方程求解57-64
• 3.3 本章小結(jié)64-65
• 第四章 有機(jī)太陽能電池的理論模擬與雙層異質(zhì)結(jié)器件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化65-87
• 4.1 研究背景65-66
• 4.2 器件模擬66-73
• 4.2.1 光學(xué)模擬66-69
• 4.2.2 電學(xué)模擬69-73
• 4.3 雙層異質(zhì)結(jié)器件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化73-86
• 4.3.1 器件結(jié)構(gòu)73-74
• 4.3.2 活性材料的光吸收特性及模擬方法74-75
• 4.3.3 實(shí)驗(yàn)方法75
• 4.3.4 結(jié)果與討論75-86
• （1）干涉峰值位置75-78
• （2）陰極緩沖層厚度的影響78-81
• （3）電磁場(chǎng)分布81-82
• （4）JSC模擬計(jì)算82-84
• （5）實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的對(duì)比84-86
• 4.4 本章小結(jié)86-87
• 第五章 新型陰極緩沖層對(duì)體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池性能的影響87-94
• 5.1 研究背景87
• 5.2 實(shí)驗(yàn)方法87-88
• 5.3 結(jié)果與討論88-93
• 5.3.1 Zn4O(AID)6層厚度對(duì)器件性能的影響88-90
• 5.3.2 能級(jí)分析90-91
• 5.3.3 等效電路分析91-92
• 5.3.4 光學(xué)模擬92-93
• 5.4 本章小結(jié)93-94
• 第六章 靜電噴霧法制備有機(jī)太陽能電池及溶劑體系的優(yōu)化與比較94-109
• 6.1 靜電噴霧法制備有機(jī)薄膜的工藝條件探索94-98
• 6.1.1 溶液導(dǎo)電性94-96
• 6.1.2 溶液濃度96-97
• 6.1.3 噴嘴到基板之間距離97
• 6.1.4 流量97-98
• 6.2 器件制備實(shí)驗(yàn)方法98-99
• 6.3 溶劑體系的優(yōu)化與比較99-107
• 6.3.1 溶劑體系的優(yōu)化99-101
• 6.3.2 靜電噴霧法制備的活性層形貌分析101-103
• 6.3.3 衍射譜和光譜分析103-105
• 6.3.4 靜電噴霧法制備的 OSC 器件 J–V 特性105-106
• 6.3.5 靜電噴霧法制備的 OSC 器件與旋涂法制備的 OSC 器件穩(wěn)定性比較106-107
• 6.4 本章小結(jié)107-109
• 第七章 靜電噴霧參數(shù)對(duì)活性層形貌和器件性能的影響及相關(guān)機(jī)理研究109-129
• 7.1 研究背景109-110
• 7.2 實(shí)驗(yàn)方法110-111
• 7.3 蒸發(fā)過程的 Damkh ler 參數(shù)111-112
• 7.4 結(jié)果與討論112-121
• 7.4.1 靜電噴霧過程中 Damkh ler 參數(shù)的調(diào)節(jié)112-114
• 7.4.2 Damkh ler 參數(shù)對(duì)薄膜形貌的影響114-115
• 7.4.3 Damkh ler 參數(shù)對(duì)薄膜光吸收和微觀形貌的影響115-118
• 7.4.4 Damkh ler 參數(shù)對(duì)器件性能的影響118-121
• 7.4.5 對(duì)于 Damkh ler 參數(shù)的補(bǔ)充說明121
• 7.5 靜電噴霧法制備的活性層厚度對(duì)器件性能的影響121-123
• 7.6 靜電噴霧法制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)的活性層及器件性能123-127
• 7.6.1 多層結(jié)構(gòu)的活性層及器件123-126
• 7.6.2 梯度濃度的活性層結(jié)構(gòu)126-127
• 7.7 本章小結(jié)127-129
• 第八章 總結(jié)與展望129-132
• 8.1 本論文總結(jié)129-130
• 8.2 下一步工作展望130-132
• 參考文獻(xiàn)132-145
• 附錄1 程序清單145-156
• 附錄2 攻讀博士學(xué)位期間撰寫的論文156-157
• 附錄3 攻讀博士學(xué)位期間申請(qǐng)的專利157-158
• 附錄4 攻讀博士學(xué)位期間參加的科研項(xiàng)目158-159
• 致謝159

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