基于新型陰極界面修飾層材料的聚合物太陽(yáng)能電池的制作與優(yōu)化

【摘要】：有機(jī)光伏技術(shù)是未來(lái)極具應(yīng)用潛力的清潔能源技術(shù)。有機(jī)光伏技術(shù)發(fā)展至今,聚合物本體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池是目前研究最廣泛、光電轉(zhuǎn)換效率最高的器件,而且其記錄還在不斷地刷新。其中,陰極界面層材料在取得關(guān)鍵性的突破研究中發(fā)揮了重要作用。作為有機(jī)太陽(yáng)能電池的重要組成部分,陰極修飾層在有機(jī)半導(dǎo)體能級(jí)匹配、載流子選擇性收集與有效傳輸?shù)确矫嫫鹬P(guān)鍵作用。本文主要從兩個(gè)方面研究了新型陰極修飾層材料對(duì)提高有機(jī)太陽(yáng)能電池性能的效果及其作用機(jī)理。 一、新型共混自組織陰極修飾層材料體系研究。以富勒烯胺基衍生物(6,6)-苯基-富勒烯61-丁酸2-((2-(二甲基胺)乙基)(甲基)胺)乙酯(PCBDAN)與P3HT/PC6iBM進(jìn)行共混,設(shè)計(jì)了一種具有自組織功能的陰極修飾層材料體系,將這種三組分共混物溶液在ITO片基表面直接旋涂成膜,制備反向結(jié)構(gòu)電池,研究了器件的性能與陰極修飾層材料的作用機(jī)制。結(jié)果顯示,器件光伏響應(yīng)效果明顯,光電轉(zhuǎn)換效率得到顯著提高。通過(guò)形貌研究與表征,結(jié)合對(duì)不同材料的表面能進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn),PCBDAN在成膜過(guò)程中遷移并富集于活性層底部,自組織形成了可靠有效的陰極修飾層。并提出了胺基修飾層材料導(dǎo)致正向結(jié)構(gòu)器件失效的根本原因不是文獻(xiàn)報(bào)道中的胺基所起的空穴陷阱作用,而是由于材料相分離導(dǎo)致的內(nèi)部界面能級(jí)不匹配所致的新的理論解釋,為合理的選擇和使用陰極修飾層材料提供了一種全新的思路。 二、新型n型自摻雜富勒烯衍生物材料研究。選擇三種富勒烯銨鹽衍生物,研究證實(shí),由于該系列材料中均存在n型自摻雜現(xiàn)象,因此具有良好的導(dǎo)電性能,導(dǎo)致材料制成的薄膜,在較高厚度條件下仍可以實(shí)現(xiàn)載流子的有效傳輸。對(duì)富勒烯衍生物薄膜的潤(rùn)洗處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,由于材料極性導(dǎo)致的溶劑選擇性,使其形成的有機(jī)薄膜具有明顯的耐溶劑特性。膜厚測(cè)試和紫外吸收光譜測(cè)試表明,經(jīng)過(guò)溶劑潤(rùn)洗的富勒烯衍生物薄膜仍基本保持完好,其中PCBDANI薄膜具有最好的耐溶劑特性,厚度在潤(rùn)洗前后幾乎未發(fā)生改變。使用三種不同的富勒烯銨鹽作為獨(dú)立的陰極界面層修飾層,應(yīng)用于反向結(jié)構(gòu)器件中,取得了良好的器件性能結(jié)果特別是以PCBDANI為陰極界面層制備的器件,在PCBDANI膜厚高達(dá)82m時(shí),電池仍然具有良好的性能,其光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)3.48%。 本論文從兩個(gè)方面入手,通過(guò)研究和利用富勒烯衍生物的獨(dú)特性能,成功開發(fā)出了兩類不同的新型陰極界面修飾層材料,在一定程度上解決了目前有機(jī)太陽(yáng)能電池器件生產(chǎn)過(guò)程中存在的多層膜的成膜與保護(hù)方面的技術(shù)性難題,預(yù)示著通過(guò)進(jìn)一步調(diào)整材料結(jié)構(gòu)和優(yōu)化加工工藝,可以使大厚度和大面積器件的生產(chǎn)成為可能。 【關(guān)鍵詞】：自組織 共軛聚合物 光伏器件 有機(jī)電子學(xué) 富勒烯
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集3-4
• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 緒論12-34
• 1.1 引言12-14
• 1.1.1 鍵模型與能量帶理論12-14
• 1.1.2 載流子的遷移率14
• 1.2 有機(jī)電子學(xué)的創(chuàng)立14-15
• 1.3 有機(jī)光伏理論15-20
• 1.3.1 材料能級(jí)與測(cè)量16
• 1.3.2 載流子遷移率的測(cè)量16-17
• 1.3.3 本體異質(zhì)結(jié)活性層17-18
• 1.3.4 界面理論與界面材料18-20
• 1.4 陰極界面層材料成膜動(dòng)力學(xué)行為20-28
• 1.4.1 陰極界面層材料的自組織20-21
• 1.4.2 共混自組織陰極界面層修飾材料21-23
• 1.4.3 活性層相分離與反向器件結(jié)構(gòu)23-28
• 1.5 有機(jī)鹽類陰極界面層材料28-31
• 1.5.1 界面層材料的耐溶劑性能28-30
• 1.5.2 界面層材料的摻雜與導(dǎo)電性能30-31
• 1.6 本論文的研究目的和意義31-34
• 第二章 富勒烯衍生物在混合物中的自組織與器件性能34-60
• 2.1 引言34
• 2.2 實(shí)驗(yàn)原料與設(shè)備34-35
• 2.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容35-41
• 2.3.1 功函數(shù)變化的測(cè)定35-36
• 2.3.2 反向?qū)φ掌骷闹谱髋c優(yōu)化36-38
• 2.3.3 共混器件的制作與優(yōu)化38-40
• 2.3.4 接觸角的測(cè)定40
• 2.3.5 PCBDAN獨(dú)立成膜器件的制作40-41
• 2.3.6 PFN共混器件的制作41
• 2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論41-58
• 2.4.1 胺基材料對(duì)電極功函數(shù)的影響41-43
• 2.4.2 反向?qū)φ掌骷男阅?/span>43-48
• 2.4.3 共混器件的性能48-51
• 2.4.4 表面能的計(jì)算51-54
• 2.4.5 PCBDAN獨(dú)立成膜器件性能54-56
• 2.4.6 PFN共混器件的性能56-58
• 2.5 結(jié)論58-60
• 第三章 自摻雜富勒烯銨鹽衍生物的特性與相應(yīng)器件的性能60-74
• 3.1 引言60
• 3.2 實(shí)驗(yàn)原料與設(shè)備60
• 3.3 實(shí)驗(yàn)部分60-63
• 3.3.1 富勒烯銨鹽衍生物的結(jié)構(gòu)60-61
• 3.3.2 ESR測(cè)試61
• 3.3.3 導(dǎo)電率測(cè)試61
• 3.3.4 耐溶劑性能測(cè)試61-62
• 3.3.5 反向器件的制作62-63
• 3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論63-73
• 3.4.1 ESR測(cè)試63-64
• 3.4.2 導(dǎo)電性能結(jié)果64-65
• 3.4.3 耐溶劑性能測(cè)試65-66
• 3.4.4 光伏器件性能66-73
• 3.5 實(shí)驗(yàn)總結(jié)73-74
• 第四章 實(shí)驗(yàn)結(jié)論74-76
• 參考文獻(xiàn)76-82
• 致謝82-84
• 研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文84-86
• 作者及導(dǎo)師簡(jiǎn)介86-87
• 附件87-88

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