有機(jī)小分子太陽能電池的效率優(yōu)化及衰減性研究

【摘要】：本論文主要研究了有機(jī)小分子太陽能電池的器件結(jié)構(gòu)對電池的光電響應(yīng)特性及衰減曲線的影響。通過合理設(shè)計器件結(jié)構(gòu)或控制薄膜生長方式,可以制備出具有更高光電轉(zhuǎn)換效率或具有更高穩(wěn)定性的有機(jī)小分子太陽能電池。具體研究內(nèi)容包括： 1、研究了光激活層中體異質(zhì)結(jié)的厚度、體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的共摻濃度梯度變化以及基片加熱技術(shù)對基于AlPcCl/C60異質(zhì)結(jié)的有機(jī)小分子太陽能電池的光電響應(yīng)特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)：①合理控制體異質(zhì)結(jié)的厚度能夠優(yōu)化電池的轉(zhuǎn)換效率。保持光激活層的總厚度不變,當(dāng)體異質(zhì)結(jié)超過一定厚度的時候,雖然電池對外輸出的短路電流能夠繼續(xù)提高,但由于器件內(nèi)部的串聯(lián)電阻持續(xù)增加,使得電池的填充因子不斷減小,并導(dǎo)致器件的轉(zhuǎn)換效率下降。②390K基片溫度下生長AlPcCl薄膜能夠有效提高基于AlPcCl/C60平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的電池外量子效率,通過紫外/可見/紅外吸收光譜、XRD衍射分析、AFM表面形貌分析等測試分析,我們認(rèn)為,器件外量子效率的提高主要源自390K基片溫度下生長的AlPcCl薄膜發(fā)生結(jié)晶且AlPcCl分子呈平行于基片的方向平躺排布,有利于提高器件內(nèi)部的載流子輸運效率；390K基片溫度下生長的AlPcCl薄膜表面粗糙度增加,有利于提高光生激子的利用和解離效率。③體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的共摻濃度梯度變化輔以基片加熱技術(shù),電池能夠獲得更高的功率轉(zhuǎn)換效率。一方面,采用體異質(zhì)結(jié)共摻濃度梯度變化,使得體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)器件在原具有的高激子解離效率的基礎(chǔ)上,自由載流子復(fù)合的幾率被抑制,光生載流子傳輸平衡性被顯著提升；另一方面,體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)制備過程中輔以基片加熱技術(shù),異質(zhì)結(jié)薄膜發(fā)生結(jié)晶且AlPcCl分子呈現(xiàn)規(guī)則排布,降低了器件內(nèi)部的串聯(lián)電阻及提高了電池的載流子輸運。 2、研究了有機(jī)小分子太陽能電池的衰減規(guī)律。分別研究了采用Mo03陽極緩沖層、采用不同的TCTA給體厚度、以及采用MoO3摻雜α-NPD給體的結(jié)構(gòu)對電池的衰減性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：①M003陽極緩沖層的使用,能夠極大的抑制持續(xù)穩(wěn)定的光照工作下電池的衰減。紫外/可見/紅外吸收光譜、XRD衍射譜、AFM薄膜表面形貌分析等技術(shù)表明,M003陽極緩沖層的使用對AlPcCl薄膜的成膜方式及表面形貌沒有發(fā)生明顯的改變,不是導(dǎo)致器件衰減的主要原因；XPS薄膜表面成分分析表明,ITO電極中的氧成分?jǐn)U散至有機(jī)光激活層中,是導(dǎo)致電池衰減的重要原因之一,MoO3陽極緩沖層的使用在一定程度上抑制了ITO電極中的氧向有機(jī)層的擴(kuò)散。熱刺激電流分析技術(shù)表明,器件內(nèi)部的載流子聚集也是導(dǎo)致小分子太陽能電池衰減的重要原因之一。②增加TCTA給體的厚度容易降低器件的轉(zhuǎn)換效率,但他同時能提高器件的穩(wěn)定性。結(jié)合前一小節(jié)的研究結(jié)果,我們推測隨著給體厚度的增加,電池的衰減受到抑制的可能原因之一是,ITO中的氧成分向有機(jī)光激活層中擴(kuò)散并對電池產(chǎn)生衰減的作用對于給體/受體接觸界面或C60受體內(nèi)部有重要影響,增加給體的厚度能夠降低氧成分向給體/受體接觸界面或C60受體內(nèi)部的擴(kuò)散速度,從而降低器件的衰減。③在MoO3摻雜α-NPD的結(jié)構(gòu)與受體材料之間再加入一層薄的有機(jī)給體層,既能保持器件具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率,又能獲得更高的器件穩(wěn)定性?？赡艿脑蛑皇荕oO3摻雜α-NPD的結(jié)構(gòu)使得薄膜內(nèi)部產(chǎn)生電荷傳輸復(fù)合物[MoO3-:α-NPD+],有利于提高器件內(nèi)部的載流子輸運效率；同時,M003的應(yīng)用有效抑制了ITO電極中的氧成分向光激活層中擴(kuò)散。④此外,我們在試驗中還發(fā)現(xiàn),BCP陰極緩沖層的使用會導(dǎo)致器件額外的衰減。 3、研究了基于AlPcCl/C60異質(zhì)結(jié)的多疊層結(jié)構(gòu)有機(jī)小分子太陽能電池。我們設(shè)計了合理的子電池于子電池之間的中間連接電極BCP/Ag/MoO3的結(jié)構(gòu),在五疊層結(jié)構(gòu)的電池中,我們獲得了3.50V之高的天路電壓和2.49%的轉(zhuǎn)換效率,對應(yīng)的單異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的電池,開路電壓和轉(zhuǎn)換效率分別在0.72-0.80V及1.83-2.17%的范圍；在十疊層結(jié)構(gòu)的電池中,我們獲得了5.89V之高的天路電壓。我們采用文獻(xiàn)介紹的方法模擬了多疊層結(jié)構(gòu)電池的內(nèi)部光電場強度分布,并通過理論計算優(yōu)化了疊層結(jié)構(gòu)電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu),例如,在三疊層結(jié)構(gòu)電池中,理論計算優(yōu)化的結(jié)果是,器件僅通過微小的給體和受體厚度的改變,就可提高約37%的電流輸出。我們期待制備的高開路電壓的多疊層電池能在無面積限制且低功耗的光電子器件中得到直接運用。 圖62幅,表14個,參考文獻(xiàn)267篇。 【關(guān)鍵詞】：有機(jī)半導(dǎo)體 太陽能電池 光電效應(yīng) 能量轉(zhuǎn)換效率 疊層結(jié)構(gòu) 壽命 穩(wěn)定性 激子
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 致謝5-7
• 中文摘要7-9
• Abstract9-11
• 序11-14
• 1 引言14-42
• 1.1 太陽能電池研究背景14
• 1.2 太陽能電池的分類14-19
• 1.2.1 晶體硅太陽能電池15-16
• 1.2.2 多元化合物薄膜太陽能電池16-17
• 1.2.3 新興的太陽能電池技術(shù)17-18
• 1.2.4 太陽能電池研究現(xiàn)狀18-19
• 1.3 有機(jī)太陽能電池簡介19-40
• 1.3.1 有機(jī)太陽能電池的工作原理20-23
• 1.3.2 有機(jī)太陽能電池的基本參數(shù)23-26
• 1.3.3 有機(jī)太陽能電池的器件結(jié)構(gòu)26-32
• 1.3.4 有機(jī)太陽能電池的材料32-36
• 1.3.5 有機(jī)太陽能電池的穩(wěn)定性36-40
• 1.4 本論文的主要工作40-42
• 2 基于AlPcCl/C_(60)異質(zhì)結(jié)的有機(jī)小分子太陽能電池效率優(yōu)化42-64
• 2.1 引言42
• 2.2 體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的體異質(zhì)結(jié)厚度對器件性能的影響42-49
• 2.2.1 器件的制備及測試43-44
• 2.2.2 結(jié)果與討論44-49
• 2.3 基片加熱對器件性能的影響49-58
• 2.3.1 器件的制備及測試49-50
• 2.3.2 器件的光電響應(yīng)特性50-56
• 2.3.3 器件的衰減特性56-58
• 2.4 體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的共摻濃度梯度變化對器件性能的影響58-62
• 2.4.1 器件的制備及測試58-59
• 2.4.2 結(jié)果與討論59-62
• 2.5 本章小結(jié)62-64
• 3 有機(jī)小分子太陽能電池的衰減性研究64-88
• 3.1 引言64
• 3.2 MoO_3陽極緩沖層對電池衰減性的影響64-74
• 3.2.1 器件的制備及測試方法64-65
• 3.2.2 結(jié)果與討論65-74
• 3.3 TCTA給體厚度對電池衰減性的影響74-81
• 3.3.1 器件的制備及測試方法74-75
• 3.3.2 結(jié)果與討論75-81
• 3.4 MoO_3摻雜對電池衰減性的影響81-86
• 3.4.1 器件的制備及測試方法81-82
• 3.4.2 結(jié)果與討論82-86
• 3.5 本章小節(jié)86-88
• 4 多疊層結(jié)構(gòu)的有機(jī)小分子太陽能電池研究88-116
• 4.1 引言88-89
• 4.2 器件的制備及測試方法89-90
• 4.3 結(jié)果與討論90-99
• 4.4 多疊層結(jié)構(gòu)電池內(nèi)部光電場強度分布模擬及器件優(yōu)化99-114
• 4.4.1 模擬方法99-105
• 4.4.2 模擬結(jié)果及分析105-114
• 4.5 本章小結(jié)114-116
• 5 結(jié)論及展望116-118
• 參考文獻(xiàn)118-134
• 作者簡歷134-137
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集137

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