通過界面修飾改善聚合物太陽能電池性能的研究

【摘要】：摘要：本文針對聚合物太陽能電池中常用界面修飾層的不足,通過選取更為合適的材料作為界面修飾層以及采用雙層或者疊層結(jié)構(gòu)的界面修飾層,來改善聚合物太陽能電池的性能。 傳統(tǒng)的聚合物太陽能電池使用LiF作為陰極界面修飾層。然而,LiF具有電絕緣性,其厚度往往小于2nm。如此薄的LiF不足以保護活性層在蒸鍍金屬電極時免受高溫金屬原子的破壞,也不能有效地阻擋氧氣和水分子擴散進入活性層。因此,需要采用更厚的陰極修飾層來代替LiF。首先,我們將小分子太陽能電池中的陰極修飾層(Alq3、BCP和Bphen)應(yīng)用于聚合物太陽能電池中。通過優(yōu)化這三種小分子材料的厚度,我們發(fā)現(xiàn)Bphen作為陰極修飾層(最佳厚度為12nm)的器件呈現(xiàn)最優(yōu)越的性能,主要歸因于Bphen的高電子遷移率以及寬帶隙。其次,考慮到LiF可以延緩氧分子擴散進入活性層,我們希望陰極修飾層中包含更多的LiF,同時還不影響修飾層的良好導(dǎo)電性。在引入C60之后,我們發(fā)現(xiàn)5nm厚的LiF允許被使用。采用C60/LiF (5nm)作為陰極修飾層的器件呈現(xiàn)最高為3.65%的PCE,預(yù)示著C60/LiF (5nm)薄膜具有高的電導(dǎo)率,來源于C60和LiF間所形成的共混形貌。然而,C60/LiF (8nm)作為修飾層的器件呈現(xiàn)非常低的PCE。為了繼續(xù)增大LiF的厚度,我們采用交替蒸鍍的方法制備了C60/LiF疊層。使用五個疊層C60/LiF ((C60/LiF)5)作為陰極修飾層的器件具有最高為3.58%的PCE,相應(yīng)的FF高達70.2%,更為重要的是其高的效率幾乎不受C60和LiF厚度比的影響,意味著整個陰極修飾層中可以包含很厚的LiF,這導(dǎo)致了(C60/LiF)5作為陰極修飾層的器件呈現(xiàn)非常優(yōu)越的空氣穩(wěn)定性。 PEDOT:PSS是聚合物太陽能電池中普遍使用的陽極界面修飾層。然而,PEDOT:PSS水性分散液呈現(xiàn)高酸性(PH～1),易于腐蝕ITO。于是,我們采用石墨烯氧化物(GO)作為陽極修飾層(或稱為空穴傳輸層,HTL)來代替PEDOT:PSS。高溫退火下,GO具有高的電導(dǎo)率,這要歸因于GO的含氧官能團被更大程度地去除,從而導(dǎo)致π共軛結(jié)構(gòu)得到更好的恢復(fù)。使用高溫(230℃)還原的GO作為HTL的器件呈現(xiàn)最高為2.75%的PCE,這一效率與沒有HTL的對比器件相比,提高了～26%。 最后,我們將Ag納米顆粒引入到聚合物太陽能電池中,期望在不增加活性層厚度的前提下,提高其光吸收。然而,我們發(fā)現(xiàn)Ag納米顆粒不僅可以激發(fā)局域表面等離子體共振(LSPR),產(chǎn)生強烈的局域電磁場,而且還會誘導(dǎo)激子猝滅,導(dǎo)致器件并聯(lián)電阻(Rsh)的降低。為了減小激子猝滅的幾率,同時盡可能地發(fā)揮Ag納米顆粒的LSPR效應(yīng),我們將Ag納米立方體(Ag NCs)摻入PEDOT:PSS HTL中,并且控制PEDOT:Ag復(fù)合薄膜的厚度,使其近似等于Ag NCs的平均尺寸。使用PEDOT:Ag作為HTL的器件與純PEDOT:PSS作為HTL的器件相比具有更高的Jsc和PCE,主要歸功于Ag NCs激發(fā)LSPR所引起的活性層吸收增強。此外,我們將Ag納米片(AgNPs)引入到P3HT:PCBM太陽能電池中,發(fā)現(xiàn)器件的Jsc并沒有明顯增加,這是由于P3HT:PCBM的吸收峰(～500nm)與AgNPs的共振峰(603nm)不匹配造成的。 【關(guān)鍵詞】：聚合物太陽能電池 界面修飾層 小分子材料 C60/LiF雙層 C60/LiF疊層 熱還原石墨烯氧化物 Ag納米顆粒
【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】：2013
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 致謝5-6
• 中文摘要6-8
• ABSTRACT8-10
• 序10-15
• 1 引言15-39
• 1.1 有機太陽能電池的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀15-18
• 1.2 有機太陽能電池的光-電轉(zhuǎn)換過程18-28
• 1.2.1 光吸收和激子產(chǎn)生19-20
• 1.2.2 激子擴散和解離20-21
• 1.2.3 電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物的分離21-23
• 1.2.4 電荷載流子的傳輸23-25
• 1.2.5 電荷載流子的復(fù)合25-27
• 1.2.6 電荷載流子的輸出27-28
• 1.3 有機太陽能電池的主要性能參數(shù)28-31
• 1.3.1 開路電壓29-30
• 1.3.2 短路電流30-31
• 1.3.3 填充因子31
• 1.4 界面修飾層在有機太陽能電池中的作用31-33
• 1.4.1 調(diào)節(jié)電極功函數(shù)32
• 1.4.2 光學(xué)緩沖層32-33
• 1.4.3 保護活性層33
• 1.4.4 選擇性阻擋載流子和激子阻擋層33
• 1.5 聚合物太陽能電池的制備、所用材料及測試手段33-36
• 1.5.1 MEH-PPV：PCBM體異質(zhì)結(jié)太陽能電池的制備33-34
• 1.5.2 P3HT：PCBM體異質(zhì)結(jié)太陽能電池的制備34
• 1.5.3 聚合物太陽能電池的代表性材料34-35
• 1.5.4 主要測試手段及方法35-36
• 1.6 本論文主要研究內(nèi)容36-39
• 2 有機小分子陰極修飾層對聚合物太陽能電池性能的影響39-55
• 2.1 Alq_3對于MEH-PPV：PCBM聚合物太陽能電池性能的影響39-46
• 2.1.1 Alq_3摻入MEH-PPV：PCBM中增加活性層的光吸收39-44
• 2.1.2 Alq_3作為陰極修飾層改善器件性能44-45
• 2.1.3 Alq_3既摻入MEH-PPV：PCBM中又作為陰極修飾層的器件45-46
• 2.2 BCP和Bphen作為陰極修飾層改善聚合物太陽能電池的性能46-53
• 2.2.1 使用BCP作為陰極界面修飾層48-49
• 2.2.2 使用Bphen作為陰極界面修飾層49-50
• 2.2.3 BCP和Bphen作為陰極修飾層的比較50-52
• 2.2.4 小分子材料和傳統(tǒng)LiF作為陰極修飾層的比較52-53
• 2.3 本章小結(jié)53-55
• 3 C_(60)/LiF雙層以及疊層用作聚合物太陽能電池的陰極修飾層55-79
• 3.1 C_(60)/LiF雙層作為陰極界面修飾層改善器件性能55-66
• 3.1.1 引入C_(60)后,厚的LiF允許被使用的原因55-60
• 3.1.2 引入C_(60)后,短路電流密度增加的原因60-63
• 3.1.3 C_(60)/LiF(8nm)修飾層具有低電導(dǎo)率的原因63-64
• 3.1.4 LiF/C_(60)作為陰極修飾層的器件呈現(xiàn)低性能的原因64-66
• 3.2 C_(60)/LiF疊層作為陰極界面修飾層改善器件效率和穩(wěn)定性66-77
• 3.2.1 優(yōu)化C_(60)和LiF的厚度比,以獲得最佳的器件性能66-68
• 3.2.2 C_(60)/LiF疊層作為陰極修飾層的器件具有更高效率的原因68-72
• 3.2.3 C_(60)/LiF疊層的光學(xué)緩沖作用72-74
• 3.2.4 C_(60)/LiF疊層提高聚合物太陽能電池的空氣穩(wěn)定性74-75
• 3.2.5 C_(60)/LiF疊層應(yīng)用于低帶隙聚合物太陽能電池75-77
• 3.3 本章小結(jié)77-79
• 4 優(yōu)化熱還原石墨烯氧化物以用作有效的陽極界面修飾層79-93
• 4.1 熱還原GO的制備和表征79-81
• 4.2 退火溫度對熱還原GO作為陽極修飾層器件性能的影響81-86
• 4.3 優(yōu)化GO分散液的濃度和旋涂速率86-91
• 4.4 本章小結(jié)91-93
• 5 Ag納米顆粒對聚合物太陽能電池性能的影響93-113
• 5.1 金屬納米顆粒的LSPR效應(yīng)93-94
• 5.2 Ag納米立方體摻入PEDOT：PSS中增加器件的效率94-103
• 5.2.1 Ag納米立方體的表征95-96
• 5.2.2 Ag納米立方體對CuPc/C_(60)太陽能電池性能的影響96-97
• 5.2.3 引入Ag納米立方體提高聚合物太陽能電池的效率97-103
• 5.3 Ag納米片對聚合物太陽能電池性能的影響103-110
• 5.3.1 三角形Ag納米片的表征104-105
• 5.3.2 Ag納米片對P3HT：PCBM太陽能電池性能的影響105-108
• 5.3.3 Ag納米片對低帶隙聚合物太陽能電池性能的影響108-110
• 5.4 本章小結(jié)110-113
• 6 結(jié)論113-115
• 參考文獻115-125
• 作者簡歷125-129
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集129

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