有機太陽能電池的同步輻射XRD表征及其性能研究

【摘要】：以聚合物P3HT為電子給體材料和PCBM為電子受體材料的有機體異質結薄膜太陽能電池逐漸成為人們研究的熱點之一，因為它不僅節(jié)能環(huán)保，而且易于制備、成本較低。然而，這類器件的光電轉換效率仍舊不高，在最好的情況下其轉換效率才達到5%-6%。器件的光電轉換效率不僅與器件的光學吸收有關，而且也與活性層的微結構形貌密切相關。因此，有效的調控主動層P3HT/PCBM的微結構和相分離以及提高器件的光學吸收本領是改善有機薄膜太陽能電池光電轉換性能的關鍵。本文通過優(yōu)化有機太陽能電池制備中給受體材料濃度、共混比例、熱處理溫度、襯底類型等因素改善薄膜的微觀結構和納米形貌，采用同步輻射掠入射X射線衍射（grazing incidence X-ray diffraction，GIXRD）等技術研究了薄膜的微結構和納米形貌與器件性能的構效關系；并進一步在器件中引入互補吸收層酞菁銅（CuPc）和等離激元振蕩材料金納米顆粒（AuNPs）有效增強器件對太陽光能量的利用，以提升器件的光電轉換性能。 一方面，本文采用同步輻射GIXRD研究了有機薄膜熱處理前后不同深度處的微結構變化和取向性，采用GIXRD和二維面探測器研究了薄膜在不同濃度、共混比例、襯底情形下的結晶情況和取向性，并進一步結合實驗研究結果，優(yōu)化器件制備條件，分別制備了高/低濃度、熱處理前/后的有機太陽能電池，獲得了較高的光電效率，使得器件效率由低濃度/未退火處理情況下的2.23%提高到高濃度/退火處理情況下的3.43%； 另一方面，本文在器件中引入與活性層P3HT/PCBM光學吸收互補的有機小分子CuPc和能夠產生等離激元振蕩的AuNPs作為增強器件光學吸收材料，采用紫外可見吸收譜、同步輻射GIXRD等實驗技術分別研究了薄膜的光學吸收、微結構和納米形貌的改善情況等，并進一步結合實驗研究結果，充分利用CuPc和金納米顆粒的優(yōu)勢，優(yōu)化器件制備條件，使得器件的光電轉換性能獲得大幅改善，其效率由0.06%提升到0.31%。 【關鍵詞】：有機薄膜太陽能電池 同步輻射GIXRD 自組裝微結構與納米形貌 等離激元 光電轉換效率
【學位授予單位】：中國科學院研究生院（上海應用物理研究所）
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 緒論10-34
• 1.1 太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀10-13
• 1.2 太陽輻射光譜13-14
• 1.3 太陽能電池分類14-18
• 1.3.1 無機太陽能電池14-17
• 1.3.2 有機太陽能電池17-18
• 1.4 有機太陽能電池器件結構和一般原理18-27
• 1.4.1 有機太陽能電池器件結構18-21
• 1.4.2 有機太陽能電池光電轉換的基本過程和原理21-25
• 1.4.3 有機太陽能電池器件的表征參數(shù)25-27
• 1.5 表面等離激元27-29
• 1.5.1 等離激元在有機光伏領域的應用28-29
• 1.5.2 新型等離激元太陽能電池的設計29
• 1.6 有機薄膜的 X 射線衍射概述29-31
• 1.7 本課題來源、研究內容和意義31-34
• 1.7.1 本課題來源31
• 1.7.2 本課題研究內容31
• 1.7.3 本課題創(chuàng)新點31-32
• 1.7.4 本課題研究意義32-34
• 第二章 有機太陽能電池制備和表征方法34-46
• 2.1 有機太陽能電池制備34-39
• 2.1.1 ITO 導電玻璃的激光雕刻和處理35
• 2.1.2 陽極緩沖層的制備和處理35-37
• 2.1.3 主動層 P3HT/PCBM 的制備37
• 2.1.4 薄膜干燥和退火處理37-38
• 2.1.5 陰極緩沖層和金屬電極沉積38-39
• 2.2 有機太陽能電池的表征方法39-46
• 2.2.1 紫外可見吸收譜39
• 2.2.2 場發(fā)射透射電子顯微鏡39-40
• 2.2.3 同步輻射掠入射 X 射線衍射40-43
• 2.2.4 上海光源 BL14B 衍射線站原位升溫裝置簡介43-44
• 2.2.5 電荷傳輸特性測試44-46
• 第三章 影響有機太陽能電池性能的若干關鍵因素研究46-64
• 3.1 熱處理對有機太陽能電池性能的增強研究48-56
• 3.1.1 有機薄膜制備48
• 3.1.2 有機薄膜同步輻射 GIXRD 表征48-50
• 3.1.3 有機薄膜的同步輻射 XRD 結果分析與討論50-55
• 3.1.4 熱處理前后有機太陽能電池制備及其光電轉換性能測試55-56
• 3.2 給受體比例對有機太陽能電池性能的增強研究56-61
• 3.2.1 不同給受體比例的有機薄膜制備和處理56-57
• 3.2.2 給受體比例調控有機薄膜的同步輻射 GIXRD 表征57-60
• 3.2.3 不同給受體比例有機太陽能電池制備及其光電轉換性能測試60-61
• 3.3 活性層材料濃度對有機太陽能電池性能增強研究61-62
• 3.3.1 不同濃度的有機薄膜的同步輻射 GIXRD 研究61
• 3.3.2 不同濃度有機太陽能電池制備及其光電轉換性能測試61-62
• 3.4 不同襯底上有機薄膜制備與同步輻射 XRD 表征62-64
• 3.4.1 不同襯底上的有機薄膜制備和處理62
• 3.4.2 不同襯底上有機薄膜的同步輻射 GIXRD 表征62-64
• 第四章 等離激元共振增強有機太陽能電池的性能研究64-78
• 4.1 油相下合成的金納米顆粒增強有機太陽能電池性能研究65-73
• 4.1.1 金納米顆粒修飾的有機薄膜制備65-66
• 4.1.2 金納米顆粒修飾的有機薄膜的常規(guī)表征66-68
• 4.1.3 金納米顆粒修飾的有機薄膜的同步輻射 XRD 表征68-71
• 4.1.4 金納米顆粒修飾的有機太陽能電池性能研究71-73
• 4.2 不同粒徑金納米顆粒修飾的有機太陽能電池的表征與性能研究73-76
• 4.2.1 不同粒徑金納米顆粒修飾的有機太陽能電池制備73-74
• 4.2.2 不同粒徑金納米顆粒修飾的器件表征與光電性能增強研究74-76
• 4.3 水相下合成的金納米顆粒增強有機太陽能電池性能研究76-78
• 第五章 總結與展望78-82
• 5.1 學位論文工作總結78-80
• 5.2 未來科研工作展望80-82
• 參考文獻82-86
• 發(fā)表文章情況86
• 讀研期間參與的科研項目情況86-88
• 致謝88

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