基于PCDTBT的高效聚合物太陽能電池性能研究

【摘要】：有機聚合物太陽能電池以其成本低、柔韌性好、使用便捷、工藝簡單等優(yōu)點，得到人們的廣泛關注。目前，聚合物太陽能電池的轉換效率已經達到8.62%，預示著聚合物太陽能電池在光伏電池領域更為廣泛的應用前景。本文采用具備低能帶結構的PCDTBT制作出了高效的聚合物太陽能電池，并深入探討了不同活性層厚度、薄膜生長環(huán)境和Ag薄層對聚合物太陽能電池性能的影響。 首先，實驗中使用相對聚（3-己基噻吩）[poly（3-hexylthiophene）]P3HT具有更低能帶結構的新型聚合物Poly [N-9′-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4′,7′-di-2-thienyl-2′,1′,3′-benzothiadiazole)](PCDTBT)作為電子給體材料和較C60衍生物PC60BM具有更廣光譜吸收的C70衍生物[6,6]-phenyl C70-butyric acid methyl ester(PC70BM)作為電子受體材料構建共混體系活性層，制備有機聚合物太陽能電池。通過控制活性層薄膜生長速度、環(huán)境得出在N2環(huán)境中靜置10min時聚合物電池達到了5.65%的高光電轉換效率。然后，通過進一步優(yōu)化活性層薄膜厚度短路電流密度大幅提升至Jsc=14.2mA/cm2，轉換效率達到η=5.84%。本實驗證明通過控制活性層薄膜生長過程和優(yōu)化活性層薄膜厚度也可以大幅增加短路電流密度，達到高的轉換效率。 另外，為了更貼近工業(yè)生產需要，研究了活性層在空氣環(huán)境和膜厚非精確控制條件下，通過加入增反層提高電池的性能。實驗中加入Ag作為半透明增反層，促使光線在電池內部往返傳輸大幅提高量子效率和短路電流。改變Ag的厚度得到最佳的膜厚，得出當Ag厚度為8nm時，短路電流達到最大15.0mA/cm2，光電轉換效率達到6.03%。實現(xiàn)構建諧振腔大幅提高電池性能的目的。 最后，實驗中研究了Ag納米顆粒的摻雜對電池性能影響，得出少量Ag納米顆粒的摻雜能有效提高電池的短路電流和光電轉換效率。當摻雜濃度為5%時，短路電流密度和轉換效率達到最佳Jsc=13.8mA/cm2，η=5.61%，相對無摻雜的電池，轉換效率增加約10%。解釋為：少量的Ag納米顆粒摻雜可以增加活性層的光吸收和電子的遷移導電率，從而提高電池的短路電流和轉換效率。但是當摻雜濃度過高時，容易在Ag顆粒表面形成電子（空穴）的聚集區(qū)，降低電子的收集效率同時增大電子-空穴的復合幾率，從而大幅降低電池性能。 【關鍵詞】：聚合物太陽能電池 薄膜 轉換效率 光學間隔層 量子效率 Ag薄層
【學位授予單位】：河北大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 有機太陽能電池發(fā)展綜述11-25
• 1.1 引言11-12
• 1.2 有機聚合物太陽能電池的工作原理、伏安特性曲線和性能參數12-15
• 1.2.1 太陽能電池的工作原理12-14
• 1.2.2 伏安特性曲線、性能參數分析14-15
• 1.3 有機聚合物太陽能電池的性能優(yōu)化15-25
• 1.3.1 ITO 修飾層對聚合物太陽能電池性能的影響15-18
• 1.3.2 新型聚合物材料在有機太陽能電池中的應用18-19
• 1.3.3 光學間隔層(Optical spacer)對聚合物太陽能電池性能的改善19-21
• 1.3.4 優(yōu)化器件結構改善聚合物太陽能電池的性能21-25
• 第2章 薄膜厚度和生長過程對聚合物太陽能電池的影響25-34
• 2.1 引言25-26
• 2.2 器件制備26-27
• 2.3 器件性能測試27
• 2.4 實驗結果分析27-33
• 2.4.1 活性層薄膜生長過程對電池性能的影響28-31
• 2.4.2 活性層膜厚對電池性能的影響31-33
• 2.5 結論33-34
• 第3章 基于 PCDTBT:PC70BM 的半透明聚合物太陽能電池研究34-41
• 3.1 引言34-36
• 3.2 實驗介紹36-37
• 3.3 Ag 薄層的加入大幅提高電池的短路電流和轉換效率37-40
• 3.4 結論40-41
• 第4章 Ag 納米顆粒對聚合物太陽能電池性能的影響41-45
• 4.1 引言41
• 4.2 實驗介紹41-42
• 4.3 實驗結果分析42-44
• 4.4 結論44-45
• 結束語45-47
• 參考文獻47-50
• 致謝50-51
• 攻讀碩士期間取得的科研成果51

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