石墨烯材料的功能化及其在聚合物太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用

【摘要】：將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能的光伏技術(shù)是解決當(dāng)今世界日益嚴(yán)重的能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題的一個(gè)重要舉措。聚合物太陽(yáng)能電池具有成本低廉、加工性能好、可得到超薄質(zhì)輕的大面積柔性器件等優(yōu)點(diǎn),因而備受人們關(guān)注。近年來(lái)聚合物太陽(yáng)能電池的效率不斷提升,目前最高光電轉(zhuǎn)換效率已超過(guò)8%,非常接近10%的實(shí)用化目標(biāo)。然而聚合物太陽(yáng)能電池普遍存在壽命短的問(wèn)題,限制了它在實(shí)際中的應(yīng)用。在聚合物太陽(yáng)能電池中,活性層與電極的界面接觸對(duì)器件性能和壽命有著非常重要的影響。因此開(kāi)發(fā)新型低成本可溶液加工的電極界面修飾材料,對(duì)于聚合物太陽(yáng)能電池的實(shí)用化無(wú)疑具有非常重要的意義。 作為世界上最薄的二維材料,石墨烯材料表現(xiàn)出許多獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)和力學(xué)性質(zhì),這些性質(zhì)使得它在聚合物太陽(yáng)能電池的電極界面修飾領(lǐng)域有著非常強(qiáng)大的應(yīng)用潛力。本論文成功合成了氧化石墨烯及其長(zhǎng)烷基鏈修飾的石墨烯衍生物,發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯能夠摻雜共軛聚合物表面并對(duì)摻雜機(jī)理進(jìn)行了深入研究,設(shè)計(jì)了分別適用于反型結(jié)構(gòu)和正裝結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)能電池的氧化石墨烯基陽(yáng)極界面修飾層,進(jìn)一步降低了器件的成本,提高了器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。另外,石墨烯材料獨(dú)特的柔性平面結(jié)構(gòu)還啟發(fā)我們將其作為構(gòu)筑單元,構(gòu)筑一維碳納米卷材料。 論文第一章綜述了聚合物太陽(yáng)能電池的原理和器件結(jié)構(gòu),聚合物太陽(yáng)能電池的研究進(jìn)展,以及石墨烯材料在聚合物太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用。 論文第二章研究了氧化石墨烯對(duì)共軛聚合物的表面摻雜現(xiàn)象。研究表明氧化石墨烯片層含有大量的酸性官能團(tuán),這些酸性基團(tuán)使得氧化石墨烯能夠摻雜典型的共軛聚合物P3HT表面。摻雜前P3HT薄膜表現(xiàn)出典型的p型半導(dǎo)體行為,而經(jīng)氧化石墨烯表面摻雜后,薄膜導(dǎo)電性高達(dá)3.70S m-1,比未摻雜的P3HT提高了6個(gè)數(shù)量級(jí),表現(xiàn)出類(lèi)金屬的傳輸特性。在其他一些窄帶隙共軛聚合物中同樣觀察到了這種摻雜現(xiàn)象。 論文第三章將氧化石墨烯用于反型聚合物太陽(yáng)能電池的陽(yáng)極界面修飾。我們發(fā)現(xiàn),氧化石墨烯(-2-3nm)能夠促使P3HT:PCBM活性層與金屬陽(yáng)極間形成歐姆接觸,使得電池性能達(dá)到甚至超過(guò)基于PEDOT:PSS的對(duì)比器件。基于氧化石墨烯陽(yáng)極修飾層的反型電池表現(xiàn)出優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性,未經(jīng)封裝的器件在干燥空氣中放置10天以上,電池仍能保持80%的原有效率。 論文第四章將有機(jī)交聯(lián)空穴傳輸材料/氧化石墨烯雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)用于正裝結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)能電池的陽(yáng)極界面修飾。研究發(fā)現(xiàn),與氧化石墨烯單層膜相比,雙層復(fù)合膜對(duì)電子的阻擋能力得到提高,從而使得PTPTBT:PC71BM電池效率從3.5%提高到了4.1%。AFM形貌研究表明活性層在交聯(lián)空穴傳輸材料／氧化石墨烯雙層復(fù)合膜上能夠形成更為均勻的形貌。 論文第五章通過(guò)環(huán)氧基的開(kāi)環(huán)反應(yīng)制備了長(zhǎng)烷基鏈接枝的石墨烯衍生物ODA-GO。并以之為基本構(gòu)筑單元,通過(guò)Langmuir-Blodaett壓縮構(gòu)筑了一維碳納米卷(CNSs)結(jié)構(gòu),同時(shí)發(fā)現(xiàn)在壓縮過(guò)程中CNSs形成了非常有趣的疏-密圖案。此外,我們還通過(guò)溶劑誘導(dǎo)的方式將CNSs發(fā)生了解卷曲。 【關(guān)鍵詞】：聚合物太陽(yáng)能電池 石墨烯 界面工程 反型結(jié)構(gòu) 正裝結(jié)構(gòu) 表面摻雜 構(gòu)筑單元 碳納米卷
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類(lèi)號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 致謝5-7
• 摘要7-9
• Abstract9-12
• 目錄12-16
• 1 緒論16-55
• 1.0 引言16-17
• 1.1 聚合物太陽(yáng)能電池的原理和結(jié)構(gòu)17-21
• 1.1.1 聚合物太陽(yáng)能電池的工作原理17-19
• 1.1.2 聚合物太陽(yáng)能電池的器件結(jié)構(gòu)19-21
• 1.2 聚合物太陽(yáng)能電池的研究進(jìn)展21-42
• 1.2.1 材料設(shè)計(jì)22-28
• 1.2.1.1 給體材料22-25
• 1.2.1.2 受體材料25-28
• 1.2.2 形貌優(yōu)化28-30
• 1.2.2.1 熱退火28-29
• 1.2.2.2 溶劑退火29
• 1.2.2.3 添加劑29-30
• 1.2.3 電極界面工程30-38
• 1.2.3.1 陰極界面修飾31-36
• 1.2.3.2 陽(yáng)極界面修飾36-38
• 1.2.4 器件設(shè)計(jì)38-42
• 1.3 石墨烯材料在聚合物太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用42-53
• 1.3.1 石墨烯材料的制備43-49
• 1.3.1.1 無(wú)/低缺陷石墨烯的制備43-46
• 1.3.1.2 石墨烯化學(xué)衍生物的制備46-49
• 1.3.2 石墨烯材料在聚合物太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用49-53
• 1.3.2.1 透明導(dǎo)電電極49-51
• 1.3.2.2 受體材料51-52
• 1.3.2.3 界面修飾層52-53
• 1.4 課題的提出及意義53-55
• 2 氧化石墨烯對(duì)共軛聚合物的表面摻雜機(jī)理研究55-72
• 2.1 引言55-56
• 2.2 氧化石墨烯的制備及表征56-62
• 2.2.1 化學(xué)氧化法制備氧化石墨烯56-57
• 2.2.1.1 實(shí)驗(yàn)原料與表征儀器57
• 2.2.1.2 一步法合成氧化石墨烯57
• 2.2.2 氧化石墨烯的表征57-60
• 2.2.3 氧化石墨烯的質(zhì)子密度、pk_a的半定量計(jì)算60-62
• 2.3 氧化石墨烯對(duì)共軛聚合物的表面摻雜現(xiàn)象及機(jī)理研究62-71
• 2.3.1 紫外-可見(jiàn)-近紅外吸收光譜研究62-68
• 2.3.1.1 P3HT/GO雙層薄膜的制備62-63
• 2.3.1.2 紫外-可見(jiàn)-近紅外吸收光譜研究63-68
• 2.3.2 薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能研究68-71
• 2.3.2.1 薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備及測(cè)試68-69
• 2.3.2.2 薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管的性能研究69-71
• 2.4 本章小結(jié)71-72
• 3 氧化石墨烯在反型聚合物太陽(yáng)能電池陽(yáng)極修飾領(lǐng)域的應(yīng)用研究72-86
• 3.1 引言72-73
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分73-75
• 3.2.1 材料與試劑73-74
• 3.2.2 反型聚合物太陽(yáng)能電池的制備74
• 3.2.3 光伏性能測(cè)試74-75
• 3.3 結(jié)果與討論75-85
• 3.3.1 陽(yáng)極修飾層對(duì)器件性能的影響75-78
• 3.3.2 電池有效面積的確定方法對(duì)器件性能的影響78-80
• 3.3.3 氧化石墨烯厚度對(duì)器件性能的影響80-81
• 3.3.4 陽(yáng)極功函數(shù)對(duì)器件性能的影響81-83
• 3.3.5 器件穩(wěn)定性研究83-85
• 3.4 本章小結(jié)85-86
• 4 交聯(lián)空穴傳輸材料/氧化石墨烯雙層復(fù)合膜在正裝結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)能電池陽(yáng)極界面修飾領(lǐng)域的應(yīng)用研究86-101
• 4.1 引言86-88
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分88-90
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)材料與表征方法88
• 4.2.2 薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備及測(cè)試88
• 4.2.3 正裝結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)能電池的制備及測(cè)試88-90
• 4.3 結(jié)果與討論90-100
• 4.3.1 交聯(lián)BTBTPA/氧化石墨烯雙層復(fù)合膜的形貌表征90-91
• 4.3.2 交聯(lián)BTBTPA/氧化石墨烯雙層復(fù)合膜的光學(xué)性能研究91-93
• 4.3.3 交聯(lián)BTBTPA/氧化石墨烯雙層復(fù)合膜的場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能研究93-95
• 4.3.4 基于交聯(lián)BTBTPA/氧化石墨烯復(fù)合膜的正裝聚合物太陽(yáng)能電池的性能研究95-99
• 4.3.5 陽(yáng)極修飾層對(duì)本體異質(zhì)結(jié)形貌的影響99-100
• 4.4 本章小結(jié)100-101
• 5 油溶性石墨烯衍生物的制備及碳納米卷的高效構(gòu)筑101-119
• 5.1 引言101-102
• 5.2 油溶性石墨烯衍生物的制備及表征102-106
• 5.2.1 烷基鏈接枝法制備油溶性石墨烯衍生物102-104
• 5.2.1.1 實(shí)驗(yàn)原料與表征儀器102-103
• 5.2.1.2 兩步法合成氧化石墨烯103-104
• 5.2.1.3 油溶性石墨烯衍生物ODA-GO的合成步驟104
• 5.2.2 油溶性石墨烯衍生物ODA-GO的表征104-106
• 5.3 Langmuir-Blodgett法高效構(gòu)筑碳納米卷及其性能研究106-118
• 5.3.0 Langmuir-Blodgett技術(shù)的原理106-108
• 5.3.1 油溶性石墨烯衍生物的Langmuir-Blodgett壓縮108-112
• 5.3.1.1 溶液配制及在水面上的鋪展108
• 5.3.1.2 Langmuir-Blodgett壓縮過(guò)程108-112
• 5.3.2 油溶性石墨烯衍生物的卷曲機(jī)理研究112-114
• 5.3.3 碳納米卷的表征及性能研究114-118
• 5.3.3.1 碳納米卷的拉曼光譜表征114-115
• 5.3.3.2 碳納米卷束的電學(xué)性能研究115-116
• 5.3.3.3 碳納米卷的溶劑誘導(dǎo)解卷曲116-118
• 5.4 本章小結(jié)118-119
• 6. 主要結(jié)論及創(chuàng)新點(diǎn)119-122
• 6.1 主要結(jié)論119-121
• 6.2 創(chuàng)新點(diǎn)121-122
• 參考文獻(xiàn)122-145
• 作者簡(jiǎn)歷145
• 攻讀博士學(xué)位期間取得的科研成果145-147

您可以在本站搜索以下學(xué)術(shù)論文文獻(xiàn)來(lái)了解更多相關(guān)內(nèi)容

LB膜技術(shù)的應(yīng)用綜述    陳琛;袁立麗;

金屬卟啉LB膜吸收光譜研究    邢亞第;徐建華;萬(wàn)中全;賈春陽(yáng);蔣亞?wèn)|;

自組裝及其表征技術(shù)在金屬腐蝕與防護(hù)中的應(yīng)用    李瑾;

導(dǎo)電聚合物有序超薄膜材料特性的分析    鄭華靖;徐建華;蔣亞?wèn)|;楊亞杰;

導(dǎo)電聚合物有序超薄膜結(jié)構(gòu)及光電特性    鄭華靖;徐建華;蔣亞?wèn)|;楊亞杰;

膜/水界面的配位化學(xué)    薛萍,歐陽(yáng)健明,鄭文杰

高分子Langmuir-Blodgett膜的研究進(jìn)展    何方;李瑞霞;吳大誠(chéng);

金屬卟啉LB膜的氣敏特性研究    龍菁;徐建華;邢亞第;羅靜;閻巖;楊亞杰;

修飾LB膜法制備聚3,4-乙烯二氧噻吩薄膜的光電性能    鄭華靖;蔣亞?wèn)|;徐建華;楊亞杰;

導(dǎo)電聚合物有序超薄膜成膜性能的研究    鄭華靖;徐建華;蔣亞?wèn)|;楊亞杰;

缺陷LB膜誘導(dǎo)草酸鈣晶體圈狀圖形    鄧穗平;鄭輝;歐陽(yáng)健明;

聚合物薄膜修飾電極的制備及在電化學(xué)分析中的應(yīng)用    王春燕

自組裝殼聚糖基納米藥用泡囊的研究    辛梅華

新型二階非線性光學(xué)聚合物膜材料的設(shè)計(jì)、制備與性能研究    王耀

鈣鈦礦型層狀固體模板制備硫化物半導(dǎo)體納米材料    許麗梅

三明治型希土三層酞菁配合物有序超分子聚集體的結(jié)構(gòu)及OFET性能研究    陳艷麗

導(dǎo)電聚合物納米材料的制備及特性研究    楊亞杰

甲基膦酸二甲酯質(zhì)量敏感型氣體傳感器的制備及特性研究    應(yīng)智花

含氟整理劑的合成及其對(duì)表面的改性    于明華

有機(jī)超薄膜與金屬界面特性測(cè)量及其相關(guān)理論的研究    程曉曼

含螺嗪光致變色配體及其鋅、錸配合物的設(shè)計(jì)、合成與光物理研究    包志紅

聚苯胺修飾電極的制備及應(yīng)用    劉瓊艷

五種新型杯[4]芳烴衍生物的合成、表征及在電分析中的應(yīng)用研究    王成斌

甘油骨架型抗腫瘤脂質(zhì)前藥藥質(zhì)體的研究    楊紡

抗HBV脂質(zhì)前藥自組裝體的研究    吳來(lái)龍

DNA在氣液界面的組裝及其熒光性質(zhì)的研究    蘇芳芳

氨基硅油的膜形貌、表面性能及成膜機(jī)理研究    馬現(xiàn)奇

功能魯米諾衍生物的設(shè)計(jì)與組裝    邢媛媛

PS均聚物及PS/PS-b-PEO共混物L(fēng)B膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)    韓曉樂(lè)

L-半胱氨酸組裝膜的電化學(xué)研究    韓繼紅

新型糖脂及糖脂/磷脂混合膜的界面性質(zhì)研究    徐曉蓮

有序石墨烯導(dǎo)電炭薄膜的制備    陳成猛;楊永崗;溫月芳;楊全紅;王茂章;

碳材料石墨烯及在電化學(xué)電容器中的應(yīng)用    褚穎;劉娟;方慶;蔣利軍;

用于鋰離子電池的石墨烯材料——儲(chǔ)能特性及前景展望    智林杰;方巖;康飛宇;

后摩爾時(shí)代取代硅的微電子材料——碳納米管和石墨烯    翟譯晨;翟冠杰;

鍍鎳石墨烯的微波吸收性能    方建軍;李素芳;查文珂;從洪云;陳俊芳;陳宗璋;

石墨烯及其復(fù)合材料的制備及性能研究進(jìn)展    趙遠(yuǎn);黃偉九;

石墨烯復(fù)合材料的研究進(jìn)展    孫艷紅;趙家昌;唐博合金;唐敖民;廖晨敏;徐菁利;

石墨烯的制備及其電化學(xué)性能    楊常玲;劉云蕓;孫彥平;

單層石墨烯儲(chǔ)氫的蒙特卡羅模擬    張明;張晉;郭鵬麗;郭金花;

石墨烯的制備與表征    謝普;于杰;秦軍;鄧青;黃浩;許國(guó)楊;呂晴;

石墨烯—聚合物高性能復(fù)合材料的制備及性質(zhì)研究    黃毅;梁嘉杰;張龍;許艷菲;王燕;馬延風(fēng);李飛飛;陳永勝;

等離子化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)石墨烯的研究    董良旭;張春梅;陳強(qiáng);劉福平;

石墨烯和卟琳的超分子組裝及其傳感應(yīng)用    徐宇曦;石高全;

電化學(xué)發(fā)光分析新材料及新應(yīng)用    胡連哲;韓雙;李海娟;徐國(guó)寶;

肉豆蔻酰磷脂酰甘油保護(hù)石墨烯的制備    劉吉洋;郭少軍;翟月明;李丹;汪爾康;

狄拉克納米材料與器件    彭海琳;劉忠范;

石墨烯功能復(fù)合材料的制備及應(yīng)用    黃毅;梁嘉杰;張龍;許艷菲;王燕;馬延風(fēng);陳永勝;

利用二維石墨烯橋增強(qiáng)染料敏化太陽(yáng)能電池中光生電子的傳輸    楊乃亮;翟錦;王丹;

Sp~2類(lèi)碳納米材料在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用-癌癥治療與成像    劉莊;

基于石墨烯的生物大分子傳感    盧春華;李娟;朱春玲;楊黃浩;

石墨烯的制備、表征及光電性質(zhì)應(yīng)用研究    許士才

小分子在二氧化鈦和石墨烯表面吸附與反應(yīng)的第一性原理研究    苗萌

含銀、銅、鉍的石墨烯復(fù)合材料的制備和性能研究    沈博

石墨烯及其氧化物的表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的調(diào)控    劉芝婷

摻雜及電場(chǎng)條件下石墨烯若干催化過(guò)程的第一原理研究    姜全國(guó)

還原自組裝法制備功能化石墨烯材料及其性能研究    李吉豪

石墨烯的功能化改性及其典型聚合物復(fù)合材料的熱解與阻燃性能研究    洪寧寧

石墨烯納米結(jié)構(gòu)中輸運(yùn)性質(zhì)的研究    王晶

石墨烯基和氧化鋅基多層薄膜的氣相沉積法制備及性能研究    劉嘯宇

石墨烯體系中自旋及谷極化的電子輸運(yùn)性質(zhì)    呂曉玲

石墨烯摻雜碳印刷陣列電極的制作及其應(yīng)用研究    李金霞

石墨烯傳感性能理論計(jì)算    朱振華

絕緣襯底上石墨烯的形成及其機(jī)理研究    邢艷敏

石墨烯用于鋰離子電池負(fù)極材料的應(yīng)用基礎(chǔ)研究    王赟

聚合物共價(jià)修飾石墨烯的研究    劉站站

石墨烯及柔性器件在有機(jī)磷類(lèi)農(nóng)藥殘留分析方面的應(yīng)用    劉曉彤

納米氧化石墨烯基底材料的制備及其在基因轉(zhuǎn)染和干細(xì)胞分化中的應(yīng)用    李坤陽(yáng)

石墨烯及其復(fù)合材料對(duì)生物小分子的電化學(xué)檢測(cè)    杜蛟

基于石墨烯透明電極的高效有機(jī)發(fā)光二極管的研究    韓媛媛

石墨烯增強(qiáng)尼龍6纖維的研究    侯文俊