聚合物體異質(zhì)結(jié)太陽能電池的器件優(yōu)化及光伏性能研究

【摘要】：隨著全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口數(shù)量激增,今后全世界能源消費(fèi)總量將不斷提高,而煤、天然氣、石油等傳統(tǒng)能源消費(fèi)總量終有一天將會(huì)到達(dá)極限。能源危機(jī)的日益突顯,使人類意識(shí)到尋找可再生能源的重要性。太陽能作為綠色、環(huán)境友好型能源的代表,成為各國學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)。盡管無機(jī)硅太陽能電池具有高的光電轉(zhuǎn)換效率,但由于其制造條件苛刻,生產(chǎn)成本高,不易加工及非柔性等缺點(diǎn)限制了其大規(guī)模民用化進(jìn)程。而以聚合物材料為活性層的聚合物體異質(zhì)結(jié)太陽能電池具有材料來源廣、成本低、柔性、可大面積器件及制備工藝簡單等特點(diǎn)而被人們廣泛關(guān)注。 聚合物體異質(zhì)結(jié)太陽能電池器件性能與活性層給體材料的能級(jí)結(jié)構(gòu)、帶隙、對(duì)光的吸收、成膜性、分子量、載流子遷移率密切相關(guān),此外還與如活性層復(fù)合薄膜表面形貌、活性層與電極的界面接觸等器件優(yōu)化過程密不可分。本論文主要圍繞研究上述影響因素與聚合物體異質(zhì)結(jié)太陽能電池器件性能的關(guān)系并以此展開工作。通過選擇窄帶隙寬吸收的共軛聚合物作為給體材料增加其對(duì)入射光的俘獲,考察其分子結(jié)構(gòu)與器件性能之間的關(guān)系；通過對(duì)器件活性層和電極界面進(jìn)行修飾和采用不同溶劑、不同給受體摻雜比例、不同活性層厚度成膜等方法對(duì)器件進(jìn)行優(yōu)化并研究其與器件性能之間的關(guān)系；使用具有表面等離子體增強(qiáng)吸收效應(yīng)的銀圓盤納米晶對(duì)陽極進(jìn)行修飾,并以提高器件對(duì)光的捕獲；論文的詳細(xì)內(nèi)容如下： 1.在論文的引言部分詳細(xì)對(duì)聚合物體異質(zhì)結(jié)太陽能電池進(jìn)行綜述：包括研究發(fā)展歷程、工作原理、器件結(jié)構(gòu)、器件性能表征參數(shù)與測試儀器、器件性能影響因素等方面的大量研究工作。 2.以噻吩單元代替苯單元作為橋聯(lián)基團(tuán),將給電子基團(tuán)芴與吸電子基團(tuán)苯并噻二唑通過Heck偶聯(lián)反應(yīng)進(jìn)行共聚,合成了一種新型的窄帶隙聚芴共軛聚合物PF-TBT[poly(fluorenevinylenealt-4,7-dithienyl-2,1,3-benzothiadiazole)]。噻吩單元以其優(yōu)良的光學(xué)性質(zhì)、高的載流子遷移率、強(qiáng)的給電子能力和高的化學(xué)穩(wěn)定性而被廣泛的應(yīng)用在聚合物體異質(zhì)結(jié)太陽能電池中。PF-TBT具有寬的吸收光譜,其吸收帶邊接近700nm,光學(xué)帶隙為1.82eV。我們以聚合物PF-TBT作為給體材料,富勒烯衍生物PC61BM[(6,6)-phenyl-C61-butyric acid methyl ester]為受體材料,制備了器件結(jié)構(gòu)為ITO/poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styenesulfonate) (PEDOT:PSS)/PF-TBT:PC6,BM/LiF/Al的聚合物體異質(zhì)結(jié)太陽能電池,系統(tǒng)地研究了PF-TBT的光物理性質(zhì),熱學(xué)性質(zhì)和電化學(xué)性質(zhì),利用空間電荷限制電流方法(SCLC)計(jì)算了聚合物的空穴載流子遷移率,利用原子力顯微鏡(AFM)和透射電子顯微鏡(TEM)分析了PF-TBT與PC61BM共混膜的表面形貌。在光強(qiáng)100mW/cm2AM1.5G模擬太陽光照射下,Jsc=3.97mAcm-2, FF=0.35, Voc=0.86 V,能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)1.18%。 3.以聚苯撐乙烯類共軛聚合物PP-DBT [poly(phenylenevinylene-alt-4,7-diphenyl-2,1,3-benzothiadiazole)]為給體材料,富勒烯衍生物PC71BM [(6,6)-phenyl-C71-butyric acid methyl ester]為受體材料,制備了器件結(jié)構(gòu)為ITO/PEDOT:PSS/PP-DBT:PC71BM/ZnO/Al的聚合物體異質(zhì)結(jié)太陽能電池。對(duì)器件進(jìn)行了一系列優(yōu)化：對(duì)活性層的厚度、給體材料與受體材料摻雜比例進(jìn)行調(diào)節(jié)；選擇氯苯、氯仿、鄰二氯苯為溶劑,考察其對(duì)活性層復(fù)合薄膜表面形貌的影響；采用ZnO納米晶對(duì)活性層薄膜與電極界面進(jìn)行修飾。利用空間電荷限制電流方法(SCLC)計(jì)算了聚合物PP-DBT的空穴載流子遷移率,利用透射電子顯微鏡(TEM)和原子力顯微鏡(AFM)分析了PP-DBT:PC71BM共混膜的表面形貌。在光強(qiáng)100mW/cm2AM1.5G模擬太陽光照射下,器件的Jsc=7.46mAcm-2, FF=0.50,Voc=0.90 V,能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)3.36%。 4.利用靜電自組裝方法將具有局域表面等離子體共振效應(yīng)的銀納米圓盤組裝在ITO基底,并以聚噻吩衍生物P3HT[poly(3-hexylthiophene)]為給體材料,以富勒烯衍生物PC61BM為受體材料,制備了器件結(jié)構(gòu)為[ITO/silver nanodisks/ PEDOT:PSS/P3HT:PC61BM/LiF/Al的太陽能電池,在光強(qiáng)100mW/cm2 AMI.5G模擬太陽光照射下,Jsc=9.24±0.09mAcm-2,FF=0.60±0.01, Voc=0.61±0.01V,能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)3.46±0.07%。通過銀納米圓盤的等離子體共振效應(yīng)有效提高聚合物活性層中P3HT對(duì)入射光的俘獲,與無銀納米圓盤修飾的器件相比,能量轉(zhuǎn)換效率由原來的2.72±0.08%提升至3.46±0.07%。 【關(guān)鍵詞】：聚合物體異質(zhì)結(jié)太陽能電池 窄帶隙分子 器件優(yōu)化 界面修飾
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 中文摘要4-7
• Abstract7-13
• 第一章 緒論13-63
• 1.1 引言13-14
• 1.2 聚合物體異質(zhì)結(jié)太陽能電池的研究發(fā)展歷程14-24
• 1.3 聚合物體異質(zhì)結(jié)太陽能電池簡介24-32
• 1.3.1 聚合物體異質(zhì)結(jié)太陽能電池的工作原理24-26
• 1.3.2 聚合物體異質(zhì)結(jié)太陽能電池的器件結(jié)構(gòu)26-29
• 1.3.3 聚合物體異質(zhì)結(jié)太陽能電池的性能表征29-32
• 1.4 聚合物體異質(zhì)結(jié)太陽能電池的活性層材料32-39
• 1.4.1 聚合物給體材料32-35
• 1.4.2 受體材料35-39
• 1.5 聚合物體異質(zhì)結(jié)太陽能電池的器件優(yōu)化39-51
• 1.5.1 器件的界面修飾39-44
• 1.5.2 給受體組分比44-45
• 1.5.3 溶劑選擇45-46
• 1.5.4 退火處理46-48
• 1.5.5 添加劑48-51
• 1.6 本論文設(shè)計(jì)思想51-54
• 參考文獻(xiàn)54-63
• 第二章 4,7-二噻吩基苯并噻二唑?yàn)闃?gòu)筑單元共軛聚合物的光伏性能63-85
• 2.1 引言63-65
• 2.2 材料合成65-69
• 2.2.1 試劑與儀器65-67
• 2.2.2 材料的合成67-69
• 2.3 結(jié)果與討論69-80
• 2.3.1 共聚物的合成及熱重分析69-71
• 2.3.2 紫外吸收光譜71-73
• 2.3.3 能級(jí)結(jié)構(gòu)電化學(xué)性質(zhì)73-76
• 2.3.4 PF-TBT和PF-DBT為給體材料太陽能電池的光伏性能76-80
• 2.4 本章小結(jié)80-81
• 參考文獻(xiàn)81-85
• 第三章 4,7-二苯基苯并噻二唑?yàn)闃?gòu)筑單元共軛聚合物的光伏性能85-111
• 3.1 引言85-87
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分87-89
• 3.2.1 材料與試劑87
• 3.2.2 器件制備及表征87-89
• 3.3 結(jié)果與討論89-106
• 3.3.1 PP-DBT的熱學(xué)性質(zhì)89
• 3.3.2 PP-DBT的吸收性質(zhì)89-93
• 3.3.3 PP-DBT的電化學(xué)性質(zhì)93-94
• 3.3.4 PP-DBT的空穴遷移率94-96
• 3.3.5 組分比對(duì)PP-DBT:PC_(71)BM器件性能的影響96-100
• 3.3.6 溶劑對(duì)PP-DBT:PC_(71)BM器件性能的影響100-104
• 3.3.7 界面修飾對(duì)PP-DBT:PC_(71)BM器件性能的影響104-106
• 3.4 本章小結(jié)106-108
• 參考文獻(xiàn)108-111
• 第四章 銀納米盤為界面修飾層的聚合物體異質(zhì)結(jié)太陽能電池111-127
• 4.1 引言111-114
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分114-117
• 4.2.1 樣品及試劑114-115
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)及測試儀器115
• 4.2.3 銀盤納米晶的制備及器件制備115-117
• 4.3 結(jié)果與討論117-125
• 4.3.1 表面等離子體銀盤的光物理性質(zhì)117-119
• 4.3.2 靜電組裝銀盤薄膜的表面形貌119-121
• 4.3.3 基于銀納米盤聚合物太陽能電池的光伏性能121-125
• 4.4 本章小結(jié)125-127
• 參考文獻(xiàn)127-131
• 第五章 結(jié)論131-133
• 作者簡歷133-135
• 攻讀學(xué)位期間的論文發(fā)表情況135-139
• 致謝139

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