聚合物體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池：分子結(jié)構(gòu)，形貌控制以及陰極界面的相關(guān)研究

【摘要】：如今,伴隨著全球經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,人口迅速增加,煤、石油和天然氣等傳統(tǒng)的能源告罄在即,人們意識(shí)到了尋找可靠再生能源的重要性和緊迫性。于是,太陽(yáng)能作為一種綠色環(huán)保的能源成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn),光伏發(fā)電是一種有效的太陽(yáng)能利用方式,目前無(wú)機(jī)的單晶硅太陽(yáng)能已經(jīng)逐步形成產(chǎn)業(yè)化,因?yàn)檫@一類電池的能量轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較高,但是由于該類電池的制備工藝復(fù)雜,所需的制備條件也比較的苛刻,再者生產(chǎn)成本非常的高昂,無(wú)法制備柔性化器件等等缺陷,制約了其大規(guī)模的平民化應(yīng)用。而聚合物異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池因其低廉的成本、輕便的質(zhì)量、可制備成大面積器件、簡(jiǎn)單的制備工藝以及聚合物材料具有廣泛來(lái)源等優(yōu)勢(shì)得到人們的關(guān)注。聚合物體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池器件的性能受多種因素的影響,比如,活性層給受體的材料結(jié)構(gòu)、給受體的比例、薄膜的形貌、活性層與電極接觸的界面好壞等。本論文圍繞著提高器件性能的核心,從聚合物給體材料的側(cè)鏈結(jié)構(gòu)優(yōu)化、器件活性層形貌控制以及電池界面材料的作用機(jī)理三個(gè)方面展開(kāi)了相關(guān)研究,內(nèi)容提要如下:1.緒論部分綜述了有機(jī)聚合物體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的發(fā)展歷程、器件材料與器件結(jié)構(gòu)、工作機(jī)理與性能的表征以及器件優(yōu)化方法等。2.在第二章中,我們探索了聚合物給體材料結(jié)構(gòu)對(duì)器件性能的影響,報(bào)道了一種可用作太陽(yáng)能電池電子給體的共軛聚合物材料(PDVF),通過(guò)調(diào)控該材料中的呋喃改性DPP結(jié)構(gòu)單元中側(cè)鏈的長(zhǎng)度,有效的提高了器件的光電轉(zhuǎn)化效率(PCE),從3.57%提高到了4.56%。我們通過(guò)AFM/TEM研究了PDVF-8/10:PC71BM活性層水平方向的形貌差異,通過(guò)XPS深度剖析(XPS-depth profiling)研究了活性層中給受體的縱向分布變化,并采用阻抗譜(IS)研究了形貌和光伏性能間的關(guān)系。3.在第三章中,我們把焦點(diǎn)投向了器件活性層形貌的優(yōu)化處理上,采用溶劑添加劑(DIO,CN)和甲醇處理(MT)的方法對(duì)基于PDVF-8:PC71BM的器件進(jìn)行優(yōu)化,顯著提高了能量轉(zhuǎn)化效率(PCE)。當(dāng)溶劑為氯仿(CF)時(shí),PCE為0.71%,使用CN(1-氯萘)作為添加劑后,PCE提升到了4.26%,再用甲醇處理后(MT),PCE進(jìn)一步提升到了4.69%。我們通過(guò)AFM,TEM,電子透射顯微鏡-能量分散光譜(TEM-EDS)和XPS深度剖析(XPS-depth profiling)研究了溶劑添加劑1,8二碘辛烷(DIO),1-氯萘(CN)以及甲醇處理(MT)對(duì)PDVF-8:PC71BM活性層薄膜的形貌影響。4.在第四章中,我們把關(guān)注點(diǎn)放在器件陰極界面修飾上,研究了PFN作為陰極界面緩沖層(CBL)的正式、反式太陽(yáng)能電池器件的陰極能級(jí)排布。采用紫外光電子能譜(UPS)表面分析技術(shù),對(duì)電極/PFN和PFN/PC71BM界面的能接排布進(jìn)行了細(xì)致的研究。我們發(fā)現(xiàn),PFN陰極界面緩沖層(CBL)可以有效地降低正式器件陰極(Ag/PFN/PC71BM)和反式器件陰極(ITO/PFN/PC71BM)的電子抽出勢(shì)壘(EEB),分別從0.72 eV和0.58 eV降低到了0.38 eV和0.36 eV。在反式器件陰極中存在一層介于PFN層和PC71BM層之間的PFN和PC71BM的混合層,從而導(dǎo)致了獨(dú)特的界面能級(jí)排布。我們建立了一個(gè)具有普適性的模型很好的描述了由PFN修飾的正式器件陰極(Ag/PFN/PC71BM)和反式器件陰極(ITO/PFN/PC71BM)的能級(jí)排布。 【關(guān)鍵詞】：聚合物體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池(PSCs) 吡咯并吡咯二酮(DPP) 聚合物給體材料側(cè)鏈調(diào)控 二元溶劑體系 甲醇處理 紫外光電子能譜 X射線光電子能譜-深度剖析 阻抗譜 PFN ICT模型 界面能級(jí)排布
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O631;TM914.4
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• ABSRACT6-10
• 第一章 緒論10-56
• 1.1 引言10
• 1.2 有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池發(fā)展的重要?dú)v程10-16
• 1.3 有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池的器件與材料16-29
• 1.3.1 有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池器件工作原理16-18
• 1.3.2 有機(jī)太陽(yáng)能電池器件結(jié)構(gòu)18-21
• 1.3.3 有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池的性能表征21-24
• 1.3.4 有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池材料24-29
• 1.4 有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池的器件優(yōu)化29-38
• 1.4.1 器件活性層形貌優(yōu)化29-33
• 1.4.2 器件的界面修飾33-38
• 1.5 本文研究思路和成果38-40
• 參考文獻(xiàn)40-56
• 第二章 通過(guò)調(diào)控基于呋喃改性吡咯并吡咯二酮單元的聚合物給體材料中的側(cè)鏈結(jié)構(gòu)提高器件光伏性能56-76
• 2.1 引言56-58
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分58-60
• 2.2.1 樣品準(zhǔn)備58
• 2.2.2 器件制備58
• 2.2.3 表征方法58-60
• 2.3 結(jié)果與討論60-71
• 2.3.1 材料能級(jí)排布和吸收譜60-62
• 2.3.2 器件光伏性能62-64
• 2.3.3 活性層形貌64-66
• 2.3.4 活性層給受體縱向分布66-69
• 2.3.5 器件阻抗譜（形貌與光伏性能間的聯(lián)系）69-71
• 2.4 本章小結(jié)71-72
• 參考文獻(xiàn)72-76
• 第三章 通過(guò)溶劑添加劑和甲醇處理的方法提高基于呋喃改性的吡咯并吡咯二酮單元的聚合物給體材料的器件光伏性能76-92
• 3.1 引言76-77
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分77-79
• 3.2.1 樣品準(zhǔn)備77
• 3.2.2 器件制備77-78
• 3.2.3 表征方法78-79
• 3.3 結(jié)果與討論79-89
• 3.3.1 器件光伏性能79-83
• 3.3.2 活性層形貌83-87
• 3.3.3 活性層給受體材料縱向分布87-89
• 3.4 本章小結(jié)89-90
• 參考文獻(xiàn)90-92
• 第四章 PFN陰極界面緩沖層在常規(guī)和反式聚合物太陽(yáng)能電池器件中作用機(jī)理的研究92-112
• 4.1 引言92-94
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分94-95
• 4.2.1 材料準(zhǔn)備和薄膜器件制備94-95
• 4.2.2 表征方法95
• 4.3 結(jié)果與討論95-108
• 4.3.1 正、反式器件陰極制備的差異以及采用“Peel off”方法對(duì)反式器件陰極進(jìn)行模擬95-97
• 4.3.2 PFN層厚度對(duì)Ag和ITO基底功函數(shù)的影響97-98
• 4.3.3 PFN修飾層對(duì)陰極電子抽出勢(shì)壘（陰極界面能級(jí)排布）的影響98-101
• 4.3.4 采用ICT模型對(duì)基于PFN的器件陰極能級(jí)排布進(jìn)行分析101-104
• 4.3.5 混溶層的形成及其誘導(dǎo)的特殊能級(jí)排布104-108
• 4.4 本章小結(jié)108-109
• 參考文獻(xiàn)109-112
• 結(jié)論112-114
• 作者簡(jiǎn)歷114
• 攻讀學(xué)位期間的論文發(fā)表情況114-116
• 致謝116

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