P3HT:PCBM聚合物太陽(yáng)能電池活性層的微觀形貌及相關(guān)性能的研究

【摘要】：聚合物太陽(yáng)能電池活性層的微觀形貌在很大程度上依賴(lài)于制備工藝條件。本文采用旋涂法制備了聚3-已基噻吩(P3HT)和富勒烯衍生物[6.6]-苯基-C60-丁酸甲酯(PCBM)的共混薄膜。通過(guò)調(diào)控共混薄膜中給受體的質(zhì)量比、旋涂時(shí)間及退火溫度,研究了共混薄膜中受體含量及溶劑退火結(jié)合退火的雙重優(yōu)化對(duì)活性層微觀形貌、結(jié)晶和光吸收性能的影響。利用紫外-可見(jiàn)光(UV-ViS)吸收光譜、原子力顯微鏡(AFM輕敲模式)和X射線(xiàn)衍射光譜(XRD)等測(cè)試手段對(duì)P3HT:PCBM共混薄膜的微觀形貌、結(jié)晶和光吸收性能進(jìn)行了表征。首先,以給體P3HT和受體PCBM為主要原料、鄰二氯苯(C6H4Cl2)為有機(jī)溶劑,采用旋轉(zhuǎn)涂膜工藝在ITO導(dǎo)電玻璃表面上制備均勻的共混薄膜。在旋涂薄膜轉(zhuǎn)速為1000 r·min-1、旋涂時(shí)間為30 s、溶劑退火時(shí)間30 min、退火溫度150℃及退火時(shí)間20 min條件下,制備出不同給受體質(zhì)量比的P3HT:PCBM共混薄膜。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),共混薄膜中給體P3HT和受體PCBM的比例為1:1時(shí)的活性層微觀形貌、結(jié)晶及光吸收性能最佳。此比例的給受體界面較多,分布較均勻且很少出現(xiàn)聚集現(xiàn)象,表面粗糙度為11.7 nm;通過(guò)X射線(xiàn)衍射發(fā)現(xiàn)半峰寬0.41°,在所有比例中最小;紫外-可見(jiàn)光吸收譜表明因P3HT聚集而產(chǎn)生的吸收峰最強(qiáng),吸收光較多;其次,選取P3HT:PCBM共混薄膜的質(zhì)量比為(1:0.8)、旋涂薄膜轉(zhuǎn)速為1000 r·min-1、退火時(shí)間定為20 min,通過(guò)對(duì)旋涂時(shí)間選取在20-90 s(溶劑退火時(shí)間)之間以及退火溫度選取在120-180℃之間進(jìn)行調(diào)控,尋找對(duì)P3HT:PCBM共混薄膜活性層微觀形貌、結(jié)晶及光吸收性能的最佳條件。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),旋涂時(shí)間為30 s時(shí)所制備的共混薄膜微觀形貌、結(jié)晶及光吸收性能最佳,其表面粗糙度為8.52 nm;在此優(yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行退火處理,當(dāng)退火溫度為150℃時(shí),其表面粗糙度為10.3 nm;P3HT:PCBM共混薄膜的微結(jié)構(gòu)及光吸收性能也將得到進(jìn)一步改善。因此,本實(shí)驗(yàn)中P3HT:PCBM共混薄膜活性層的最佳制備條件是:在轉(zhuǎn)速為1000 r·min-1的條件下,旋涂時(shí)間為30 s,退火時(shí)間為20 min,退火溫度為150℃。為提高聚合物太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率提供一定的依據(jù)。 【關(guān)鍵詞】：P3HT:PCBM共混薄膜 光吸收 微觀形貌 退火 自旋涂膜
【學(xué)位授予單位】：內(nèi)蒙古師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 緒論11-33
• 1.1 引言11-12
• 1.2 聚合物太陽(yáng)能電池研究進(jìn)展12-14
• 1.3 聚合物太陽(yáng)能電池的工作原理及等效電路簡(jiǎn)述14-17
• 1.3.1 激子的產(chǎn)生15-16
• 1.3.2 激子的擴(kuò)散16
• 1.3.3 激子的分離16
• 1.3.4 電荷的傳輸和收集16-17
• 1.3.5 等效電路17
• 1.4 聚合物太陽(yáng)能電池性能表征17-20
• 1.4.1 開(kāi)路電壓18-19
• 1.4.2 短路電流19
• 1.4.3 填充因子19
• 1.4.4 能量轉(zhuǎn)換效率19-20
• 1.4.5 外量子效率20
• 1.5 器件結(jié)構(gòu)分類(lèi)20-24
• 1.5.1 單層結(jié)構(gòu)20-21
• 1.5.2 雙層結(jié)構(gòu)21-22
• 1.5.3 本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)22-23
• 1.5.4 疊層結(jié)構(gòu)23-24
• 1.6 聚合物太陽(yáng)能電池的活性層和電極材料24-26
• 1.6.1 活性層材料24-26
• 1.6.2 電極材料26
• 1.6.3 電極修飾層材料26
• 1.7 選題意義和主要內(nèi)容26-28
• 參考文獻(xiàn)28-33
• 第二章 活性層的制備及測(cè)試方法33-39
• 2.1 引言33
• 2.2 實(shí)驗(yàn)材料與儀器33-34
• 2.3 活性層制備過(guò)程34-36
• 2.3.1 溶液配制35
• 2.3.2 ITO清洗處理35
• 2.3.3 旋涂成膜及熱處理35-36
• 2.4 活性層的性能表征36-37
• 2.4.1 TGA熱性分析36
• 2.4.2 AFM表面形貌分析36
• 2.4.3 XRD結(jié)構(gòu)分析36-37
• 2.4.4 紫外-可見(jiàn)光光譜分析37
• 2.5 本章小結(jié)37-38
• 參考文獻(xiàn)38-39
• 第三章 P3HT:PCBM不同比例對(duì)活性層微觀形貌、結(jié)構(gòu)及性能的影響39-45
• 3.1 引言39
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分39-40
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)材料39-40
• 3.2.2 樣品制備及表征方法40
• 3.3 結(jié)果與討論40-43
• 3.3.1 P3HT:PCBM共混薄膜的AFM測(cè)試結(jié)果40-41
• 3.3.2 P3HT:PCBM共混薄膜X射線(xiàn)衍射測(cè)試結(jié)果41-42
• 3.3.3 P3HT:PCBM共混薄膜光吸收測(cè)試結(jié)果42-43
• 3.4 本章小結(jié)43-44
• 參考文獻(xiàn)44-45
• 第四章 雙重優(yōu)化對(duì)P3HT:PCBM活性層的微觀形貌、結(jié)構(gòu)及性能的影響45-55
• 4.1 引言45
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分45-47
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)材料45-46
• 4.2.2 樣品制備及表征方法46-47
• 4.3 結(jié)果與討論47-52
• 4.3.1 TGA熱性測(cè)試結(jié)果47-48
• 4.3.2 P3HT:PCBM共混薄膜AFM測(cè)試結(jié)果48-49
• 4.3.3 P3HT:PCBM共混薄膜X射線(xiàn)衍射測(cè)試結(jié)果49-50
• 4.3.4 P3HT:PCBM共混薄膜光吸收測(cè)試結(jié)果50-52
• 4.4 本章小結(jié)52-53
• 參考文獻(xiàn)53-55
• 第五章 結(jié)論與展望55-57
• 5.1 實(shí)驗(yàn)主要結(jié)論55-56
• 5.2 展望56-57
• 附錄57-63
• 摘要57
• 引言57
• 1 實(shí)驗(yàn)57-58
• 2 結(jié)果和討論58-61
• 3 結(jié)論61-62
• 參考文獻(xiàn)62-63
• 攻讀碩士期間發(fā)表和完成的科研成果63-64
• 致謝64

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