光活性層摻雜及新型透明電極在聚合物太陽能電池中的應(yīng)用研究

【摘要】：聚合物太陽能電池(polymer solar cell, PSC)是一種新型有機薄膜太陽能電池,具有制備工藝簡單、成本低廉、重量輕和可制備成柔性器件等諸多優(yōu)點,近年來受到廣泛關(guān)注。新型給體／受體光伏材料的合成、光活性層微觀結(jié)構(gòu)和形貌的調(diào)控、緩沖層的引入和電極材料的開發(fā)都是目前聚合物太陽能電池的研究熱點,而如何提高電池的能量轉(zhuǎn)換效率(power conversion efficiency, PCE)則是聚合物太陽能電池研究的核心問題。本論文以通過光活性層摻雜提高聚合物太陽能電池PCE以及發(fā)展可替代ITO的透明電極為出發(fā)點,開展了以下幾個方面的工作： (1)首次將Fe3O4磁性納米粒子摻雜到P3HTPCBM光活性層中提高了體相異質(zhì)結(jié)(BHJ)結(jié)構(gòu)的聚合物太陽能電池的效率。我們發(fā)現(xiàn)在1%的最優(yōu)Fe3O4磁性納米粒子摻雜濃度下,Fe3O4摻雜后的P3HTPCBM聚合物太陽能電池(O A-Fe3O4P3HTPCBM)的能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)相比于未摻雜的器件提高了約18%。我們系統(tǒng)地研究了Fe3O4納米粒子的磁性對于PCE提高的決定性影響,證明了PCE的提高的確歸功于Fe3O4納米粒子的磁性。實驗結(jié)果還表明PCE18%的提高主要是由于短路電流(Jsc)提高了約14%,而Jsc的提高是由于Fe304納米粒子誘導(dǎo)的磁場效應(yīng)可以增加單線態(tài)激子到三線態(tài)激子系間竄越率,使三線態(tài)激子的數(shù)量增大,提高了激子分離效率和電池的光電流。 (2)首次將雙親性的表面活性劑油酸酰胺(Oleamide)摻雜到P3HT:PCBM光活性層中,通過其在成膜過程中的自組裝在光活性層與陰極之間形成陰極緩沖層,顯著地提高了電池的效率。在2.5%的最優(yōu)Oleamide摻雜濃度下,P3HTPCBM電池的能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)提高了約28%,這一提高主要是填充因子(FF)的貢獻(增加約22%)。通過TEM、AFM和SKPM對光活性層的微觀結(jié)構(gòu)和表面形貌進行了表征,結(jié)果表明油酸酰胺分子摻雜到光活性層后,在后續(xù)成膜過程中會遷移到P3HT:PCBM薄膜表面并通過自組裝形成陰極緩沖層和界面偶極層,降低了Al電極的功函數(shù),使得Al電極與PCBM之間的能壘變小,有利于電子的抽取。 (3)通過在PEDOTPSS薄膜表面旋涂一層雙親性的表面活性劑甘油單硬脂酸酯(glycerol monostearate, GMS),制備了PEDOTPSS/GMS雙層膜作為一種可以替代氧化銦錫(ITO)導(dǎo)電玻璃的新型透明電極。測試表明該透明電極的電導(dǎo)率高達(dá)1019S cm-1,方阻為98Ω sq-1；可見光區(qū)的透光率大于80%。我們提出了GMS修飾PEDOT:PSS薄膜后電導(dǎo)率提高的作用機理為PEDOT:PSS薄膜中構(gòu)象發(fā)生了改變。當(dāng)GMS甲醇溶液旋涂在PEDOT:PSS薄膜表面時,由于甲醇的溶脹作用,GMS分子會擴散到PEDOT:PSS薄膜內(nèi)部并和PEDOT:PSS發(fā)生相互作用,導(dǎo)致了PEDOT鏈與PSS鏈的相分離,使得PEDOT鏈重新定向并擺脫了PSS鏈的纏繞,促進了PEDOT鏈與鏈之間的相互作用,因此降低了載流子在鏈間及相間跳躍時的能壘,有利于載流子在鏈與鏈之間的傳輸,從而大幅提高PEDOTPSS薄膜的電導(dǎo)率。進一步地,我們用PEDOTPSS/GMS雙層膜替代ITO作為新型透明陽極制備了非ITO(ITO-free)聚合物太陽能電池,在PTB7:PC70BM體系中PCE達(dá)到了7.06%,這一效率與基于ITO的電池的PCE相當(dāng),也是目前為止所報道的非ITO聚合物太陽能電池的最高PCE。通過將PEDOTPSS/GMS新型透明陽極應(yīng)用于不同的給體/受體電池體系,我們發(fā)現(xiàn)其具有很好的通用性,展示了它在大面積、高效率非ITO聚合物太陽能電池中的應(yīng)用前景。 【關(guān)鍵詞】：聚合物太陽能電池 能量轉(zhuǎn)換效率 光活性層 摻雜 磁性納米粒子 表面活性劑 陰極緩沖層 透明電極
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 緒論12-42
• 1.1 引言12-14
• 1.2 聚合物太陽能電池的原理14-16
• 1.3 聚合物太陽能電池的材料16-26
• 1.3.1 給體光伏材料17-20
• 1.3.2 受體光伏材料20-22
• 1.3.3 緩沖層材料22-25
• 1.3.4 電極材料25-26
• 1.4 聚合物太陽能電池的結(jié)構(gòu)26-30
• 1.4.1 雙層異質(zhì)結(jié)26-27
• 1.4.2 體相異質(zhì)結(jié)27-28
• 1.4.3 疊層電池28-30
• 1.4.4 正型/反型電池30
• 1.5 聚合物太陽能電池的制備30-33
• 1.5.1 ITO基片的處理30-31
• 1.5.2 活性層溶液的配制31
• 1.5.3 陽極緩沖層和光活性層的制備31
• 1.5.4 電極的制備31-32
• 1.5.5 熱退火處理32-33
• 1.5.6 電池封裝33
• 1.6 聚合物太陽能電池的表征33-36
• 1.6.1 等效電路33-34
• 1.6.2 電池參數(shù)34-36
• 1.7 本論文的研究思路和主要內(nèi)容36-38
• 參考文獻38-42
• 第二章 通過Fe_3O_4磁性納米粒子在光活性層中的摻雜提高P3HT：PCBM體相異質(zhì)結(jié)聚合物太陽能電池的性能42-56
• 2.1 引言42-43
• 2.2 實驗部分43-45
• 2.2.1 原料與試劑43
• 2.2.2 OA-Fe_3O_4磁性納米粒子的制備43
• 2.2.3 OA-TiO_2納米粒子的制備43-44
• 2.2.4 P3HT：PCBM體相異質(zhì)結(jié)聚合物太陽能電池的制備44-45
• 2.2.5 表征及測試45
• 2.3 結(jié)果與討論45-53
• 2.3.1 Fe_3O_4磁性納米粒子及光活性層的形貌表征45-47
• 2.3.2 OA-Fe_3O_4：P3HT：PCBM體相異質(zhì)結(jié)聚合物太陽能電池的性能47-49
• 2.3.3 OA-Fe_3O_4磁性納米粒子的作用機理49-51
• 2.3.4 OA-Fe_3O_4磁性納米粒子對OA-Fe_3O_4：P3HT：PCBM電池J_(sc)的影響51-52
• 2.3.5 OA-Fe_3O_4磁性納米粒子不同摻雜方式的比較52-53
• 2.4 本章小結(jié)53
• 參考文獻53-56
• 第三章 油酸酰胺作為自組裝陰極緩沖層提高聚合物太陽能電池的性能56-71
• 3.1 引言56-57
• 3.2 實驗部分57-59
• 3.2.1 原料與試劑57
• 3.2.2 P3HT：PCBM體相異質(zhì)結(jié)聚合物太陽能電池的制備57-58
• 3.2.3 表征及測試58-59
• 3.3 結(jié)果與討論59-68
• 3.3.1 Oleamide：P3HT：PCBM體相異質(zhì)結(jié)聚合物太陽能電池的性能59-61
• 3.3.2 Oleamide：P3HT：PCBM光活性層的微觀結(jié)構(gòu)61-64
• 3.3.3 Oleamide陰極緩沖層提高電池性能的作用機理64-65
• 3.3.4 Oleamide：P3HT：PCBM光活性層的結(jié)晶性65-68
• 3.4 本章小結(jié)68
• 參考文獻68-71
• 第四章 PEDOT：PSS/表面活性劑雙層膜透明電極在高效非ITO聚合物太陽能電池中的應(yīng)用71-92
• 4.1 引言71-72
• 4.2 實驗部分72-75
• 4.2.1 原料與試劑72-73
• 4.2.2 PEDOT：PSS薄膜及PEDOT：PSS/GMS雙層膜的制備73
• 4.2.3 聚合物太陽能電池的制備73-75
• 4.2.4 表征及測試75
• 4.3 結(jié)果與討論75-87
• 4.3.1 PEDOT：PSS/GMS雙層膜的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)75-78
• 4.3.2 GMS修飾PEDOT：PSS薄膜后電導(dǎo)率提高的作用機理78-83
• 4.3.3 PEDOT：PSS/GMS雙層膜作為透明電極在非ITO聚合物太陽能電池中的應(yīng)用83-87
• 4.4 本章小結(jié)87-88
• 參考文獻88-92
• 第五章 總結(jié)與展望92-95
• 5.1 全文總結(jié)92-93
• 5.2 展望93-95
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的其他研究成果95-97
• 致謝97

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

太陽能電池用高純硅的制法    秦孝保

太陽能異步發(fā)電系統(tǒng)的研究    楊順昌

德國最大太陽能電池廠投產(chǎn)    德興

國家太陽能電池示范工程落戶保定    

巧妙利用太陽能的住宅    李有觀;

太陽能電池陽光普照    袁茵;

采集太陽能(下)——基礎(chǔ)化學(xué)推進新型低成本太陽能電池的開發(fā)    高彤;

哈博公司250兆瓦太陽能光伏項目落戶浙江嘉興    王碧輝;盧影;

臺聯(lián)電投資100萬美元在山東建太陽能電池廠    

太陽能應(yīng)用 政府主導(dǎo)最重要    黃韜;

太陽能電池輸出特性的分析及檢測    張海波;

太陽能電池表面納米微結(jié)構(gòu)研究    李美成;

有機染料錨數(shù)對染料敏化太陽能電池性能的影響    尚會霞;羅艷紅;孟慶波;占肖衛(wèi);

量子點敏化太陽能電池--新材料的設(shè)計、制備及器件研究    李冬梅;羅艷紅;孟慶波;

量子點敏化太陽能電池研究進展    劉銘;楊君友;馮雙龍;朱虎;

高效染料鈉晶TiO_2太陽能電池    黃昀昉;吳季懷;林建明;黃妙良;

太陽能電池應(yīng)用    孟昭淵;

富銦與富銅CuInSe_2薄膜的光電性能    王信春;

談太陽能路燈原理    胡昊偉;黃敏;

用于聚合物太陽能電池的高效共軛聚合物光伏材料    李永舫;

太陽能廠跨洋吸金 幾家歡樂幾家愁    黃女瑛 DigiTimes

太陽能電池級多晶硅光伏項目落戶益陽    記者　 郭云飛 通訊員　 張世平

涉足太陽能光伏產(chǎn)業(yè)公司一覽    詹鈴

依靠太陽能的家庭    楊先碧

G風(fēng)帆 太陽能電池新貴    天同證券 張銳

PE“新銳”王剛：太陽能行業(yè)的堅定支持派    本報記者 翁海華

行者集團利用太陽能獲新突破    記者 張國偉

太陽能電池面臨出口為主的尷尬    無暇

邱第明:中國最早太陽能企業(yè)的跌宕起伏    本報記者王穎春 采寫

青海首條太陽能電池生產(chǎn)線投產(chǎn)    梁麗英

光活性層摻雜及新型透明電極在聚合物太陽能電池中的應(yīng)用研究    章文峰

反型聚合物太陽能電池的研究    李福民

半透明聚合物太陽能電池的研究    徐洋

基于酞菁銅的太陽能電池的研究    劉一婷

聚合物太陽能電池中光吸收增強效應(yīng)的研究    李國龍

聚光多結(jié)太陽能電池的設(shè)計、制備及可靠性研究    宋明輝

反型體異質(zhì)結(jié)聚合物太陽能電池的研究    陶晨

有機/聚合物太陽能電池：活性層結(jié)構(gòu)、形貌及光伏性能    薛麗麗

噴涂法制備聚合物太陽能電池器件研究    陳征

有機小分子太陽能電池的效率優(yōu)化及衰減性研究    鄒業(yè)

SCNTs和PPDIF應(yīng)用于聚合物太陽能電池中的研究    白靜璐

基于太陽能的嵌入式路燈控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用    劉春

利用不同陰極緩沖層改善有機小分子Pentacene/C_（60）太陽能電池的性能    劉瑞

用電化學(xué)阻抗譜研究染料敏化太陽能電池的電子傳輸與復(fù)合特性    和川

三芳基咪唑的富勒烯衍生物的合成及其在CdSe量子點太陽能電池的應(yīng)用    趙愛婷

太陽能電池CuInS_2薄膜和ZnS薄膜的制備與性能研究    張興良

CuO薄膜的制備及其光伏特性研究    張春萍

鎢摻雜二氧化鈦及其染料敏化太陽能電池研究    劉芳

敏化太陽能電池中染料的合成研究    徐丹

含噻吩和噻唑基元的共軛聚合物的合成和光伏性能研究    國霞