基于聚（3-已基噻吩）的正向、倒置和疊層聚合物太陽能電池的研究

【摘要】：聚合物太陽能電池具有制備成本低、工藝簡單、器件輕薄以及可柔性制備等優(yōu)點(diǎn)而受到了廣泛研究。本論文主要制備和優(yōu)化了基于P3HT不同結(jié)構(gòu)的聚合物光伏器件,包括正向的、倒置的和疊層的聚合物光伏器件。主要結(jié)果如下： 1.以聚(3-己基噻吩)(P3HT)為電子給體、以PCBM為電子受體,制備了FTO/MoO3/P3HT:PCBM/Al的正向結(jié)構(gòu)的聚合物光伏器件。通過優(yōu)化P3HT:PCBM活性層的熱退火時(shí)間(t=0、2、5、10和15min)來提高P3HT的結(jié)晶度和避免活性層過劇的相分離,從而提高光伏器件的性能。在AM1.5G,100mW/cm2的光照下,開路電壓(V_(oc))為0.56V,短路電流(J_(sc))為10.53mA/cm2,填充因子(FF)為61.0%,能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)為3.60%。 2.以茚雙加成C_(70)的衍生物IC70BA為電子受體,以P3HT為電子給體,制備了結(jié)構(gòu)為ITO/Mo03/P3HT:IC7oBA/Ca/Al的正向聚合物太陽能電池。通過改變P3HT:IC70BA溶液的旋涂時(shí)間(t_s=20、25、30、35、40和45s)來控制活性層的溶劑退火時(shí)間(t_a=60、50、30、16、6和1min),從而提高基于P3HT:IC70BA的光伏器件的性能。在AM1.5G,100mW/cm2光照下,優(yōu)化的電池的V_(oc)為0.85V,J_(sc)為10.61mA/cm2, FF為74.1%,PCE為6.68%。其中,74.1%的填充因子和6.68%的能量轉(zhuǎn)換效率均為基于P3HT的聚合物光伏器件所報(bào)道的最高值之一。 3.通過低溫水熱法合成了Al摻雜的ZnO (AZO)的納米結(jié)構(gòu)。通過改變A1摻雜濃度,可以穩(wěn)定地控制AZO納米結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)率和表面形貌。我們研究了AZO的電導(dǎo)率和表面形貌對(duì)FTO/ZnO/AZ0/P3HT:PCBM/MoO3/Al的倒置結(jié)構(gòu)光伏器件的性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與沒有Al摻雜ZnO的倒置光伏器件相比較,AZO的倒置光伏器件的轉(zhuǎn)換效率提高了58.7%,這歸因于AZO納米結(jié)構(gòu)不僅能夠提供高導(dǎo)電的通道,這有利于電子的傳輸,而且表現(xiàn)了較大的比表面積,這有利于激子的分離和載流子的傳輸。 4.以P3HT為電子給體,以ICBA為電子受體,制備了FTO/TiO2/CsOx/P3HT:ICBA/MoO3/Al的倒置結(jié)構(gòu)的聚合物光伏器件。這種倒置的器件表現(xiàn)5.65%的能量轉(zhuǎn)換效率,分別與傳統(tǒng)的基于TiO_2和CsO_x單緩沖層的器件相比較,它的能量轉(zhuǎn)換效率提高了11.4%和11.5%,這主要?dú)w因于TiO2/CsOx復(fù)合緩沖層能夠加強(qiáng)電子收集能力和抑制漏電流能力。另外,考慮到這種復(fù)合的緩沖層是否具有普遍性的意義,我們又制備了基于P3HT:PCBM倒置聚合物光伏器件,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)TiO2/CsOx復(fù)合的緩沖層所對(duì)應(yīng)的光伏器件表現(xiàn)了最高的能量轉(zhuǎn)換效率,PCE=3.76%。 5.我們報(bào)道了基于P3HT:PCBM和PDPPTPT:PCBM活性層的疊層聚合物太陽能電池。上下活性層通過Ca (1nm)/Ag (1nm)/MoO3(10nm)中間層連接。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在提高器件性能方面上,Ca/Ag/MoO3中間層要優(yōu)于Ca (1nm)/Al (1nm)/MoO3(10nm)中間層。制備的疊層聚合物光伏電池具有300-850nm的吸光范圍,在AM1.5G,100mW/cm2光照下,優(yōu)化的疊層聚合物光伏器件表現(xiàn)了4.50%的能量轉(zhuǎn)換效率。與單活性層的聚合物光伏器件相比較,它的能量轉(zhuǎn)換效率提高了25.0%。 【關(guān)鍵詞】：聚合物太陽能電池 熱退火 溶劑退火 陰極緩沖層 疊層 P3HT IC_(70)BA
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 論文創(chuàng)新點(diǎn)5-7
• 摘要7-9
• Abstract9-15
• 引言15-17
• 第一章 緒論17-46
• 1.1 有機(jī)(聚合物)太陽能電池的重要發(fā)展歷程17-19
• 1.2 聚合物太陽能電池的器件結(jié)構(gòu)和組成部分19-25
• 1.2.1 器件結(jié)構(gòu)20-21
• 1.2.2 聚合物太陽能電池的組成部分21-24
• 1.2.3 活性層材料24-25
• 1.3 聚合物太陽能電池的工作原理25-26
• 1.3.1 激子生成25
• 1.3.2 激子擴(kuò)散和電荷分離25-26
• 1.3.3 載流子傳輸26
• 1.3.4 載流子被電極收集26
• 1.4 聚合物太陽能電池的制備26-29
• 1.4.1 正向結(jié)構(gòu)聚合物太陽能電池的制備26-28
• 1.4.2 倒置結(jié)構(gòu)聚合物太陽能電池的制備28-29
• 1.4.3 疊層結(jié)構(gòu)聚合物太陽能電池的制備29
• 1.5 聚合物太陽能電池的表征29-33
• 1.5.1 聚合物太陽能電池表征的主要儀器設(shè)備29-30
• 1.5.2 聚合物太陽能電池光伏性能測試30-33
• 1.6 聚合物太陽能電池的研究進(jìn)展33-42
• 1.6.1 聚合物太陽能電池的材料研究方面的進(jìn)展33-39
• 1.6.2 聚合物太陽能電池在器件方面的研究進(jìn)展39-42
• 1.7 研究內(nèi)容及意義42-46
• 第二章 P3HT：PCBM聚合物太陽能電池的熱退火研究46-54
• 2.1 引言46-47
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分47-48
• 2.2.1 材料47
• 2.2.2 儀器與測試方法47
• 2.2.3 器件制備與表征47-48
• 2.3 結(jié)果與討論48-53
• 2.3.1 不同熱退火時(shí)間對(duì)P3HT：PCBM活性層的光吸收度和P3HT的結(jié)晶度的影響48-49
• 2.3.2 不同熱退火時(shí)間對(duì)P3HT：PCBM活性層的形貌的影響49-51
• 2.3.3 不同熱退火時(shí)間對(duì)器件光伏性能的影響51-53
• 2.4 實(shí)驗(yàn)小結(jié)53-54
• 第三章 P3HT：IC70BA聚合物太陽能電池的溶劑退火的研究54-63
• 3.1 引言54-55
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分55-56
• 3.2.1 材料55
• 3.2.2 儀器與測試方法55
• 3.2.3 器件制備55-56
• 3.3 結(jié)果與討論56-61
• 3.3.1 溶劑退火對(duì)P3HT：IC70BA光伏器件性能的影響56-58
• 3.3.2 不同旋涂時(shí)間對(duì)活性層的光吸收度和P3HT結(jié)晶度的影響58-60
• 3.3.3 溶劑退火對(duì)P3HT：IC70BA活性層形貌的影響60-61
• 3.4 實(shí)驗(yàn)小結(jié)61-63
• 第四章 以摻鋁氧化鋅納米結(jié)構(gòu)作為電子選擇層的倒置結(jié)構(gòu)聚合物太陽能電池的研究63-71
• 4.1 引言63-64
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分64-66
• 4.2.1 材料64
• 4.2.2 儀器與測試方法64
• 4.2.3 器件制備64-66
• 4.3 結(jié)果與討論66-71
• 4.3.1 不同Al摻雜濃度對(duì)AZO納米結(jié)構(gòu)表面形貌的影響66
• 4.3.2 不同厚度的MoO_3對(duì)基于P3HT：PCBM倒置光伏器件性能的影響66-67
• 4.3.3 不同Al摻雜濃度對(duì)P3HT：PCBM倒置聚合物光伏器件性能的影響67-68
• 4.3.4 不同Al摻雜濃度對(duì)AZO納米結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)率的影響68-70
• 4.3.5 實(shí)驗(yàn)小結(jié)70-71
• 第五章 以TiO_2/CsO_x作為陰極緩沖層的倒置結(jié)構(gòu)聚合物太陽能電池的研究71-80
• 5.1 引言71-72
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分72-74
• 5.2.1 材料72
• 5.2.2 儀器與測試方法72-73
• 5.2.3 器件制備73-74
• 5.3 結(jié)果與討論74-79
• 5.3.1 CsOx、TiO_2和TiO_2/CsO_X.薄膜的透射光譜74-75
• 5.3.2 三種不同的陰極緩沖層(CsO_x、TiO_2和TiO_2/CsO_x)在FTO襯底上的表面形貌75-76
• 5.3.3 三種不同的陰極緩沖層對(duì)倒置聚合物光伏器件性能的影響76-78
• 5.3.4 三種不同的陰極緩沖層對(duì)器件電子遷移率的影響78-79
• 5.4 本章小結(jié)79-80
• 第六章 基于P3HT：PC_(61)BM和PDPPDPT：PC_(61)BM的疊層聚合物太陽能電池的研究80-90
• 6.1 引言80-81
• 6.2 實(shí)驗(yàn)部分81-83
• 6.2.1 材料81-82
• 6.2.2 儀器與測試方法82
• 6.2.3 器件制備82-83
• 6.3 結(jié)果與討論83-89
• 6.3.1 三種不同的活性層(P3HT：PC_(61)BM, PDPPTPT：PC_(61)BM和P3HT：PC_(61)BM/Ca/Ag/MoO_3/PDPPTPT：PC_(61)BM)的吸收光譜83-84
• 6.3.2 不同的旋涂速度和熱退火對(duì)PDPPTPT：PC_(61)BM光伏器件性能的影響84-86
• 6.3.3 不同中間層材料對(duì)疊層聚合物光伏器件性能的影響86-89
• 6.4 實(shí)驗(yàn)小結(jié)89-90
• 結(jié)論與展望90-93
• 參考文獻(xiàn)93-103
• 博士期間發(fā)表論文及申請(qǐng)的專利103-105
• 致謝105

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