有機(jī)聚合物太陽能電池器件的性能優(yōu)化

【摘要】：有機(jī)太陽能電池由于其成本低、重量輕、可以柔性化、加工方式多樣、適于大規(guī)模制造等一系列的優(yōu)勢有望作為無機(jī)太陽能電池的補充,得到了學(xué)術(shù)界的重視,并且在材料和器件制備工藝上已經(jīng)有明顯進(jìn)步。為了充分掌握有機(jī)太陽能電池的制備工藝,改善有機(jī)太陽能電池器件的光電轉(zhuǎn)化效率,本論文主要從有機(jī)太陽能電池的材料、結(jié)構(gòu)和制備工藝等三個方面著手,分別研究陰極緩沖層、給受體材料、制備工藝、器件結(jié)構(gòu)等對器件光電轉(zhuǎn)換效率及穩(wěn)定性能的影響。 1.通過調(diào)整P3HT:PC61BM薄膜的厚度以及熱退火工藝,優(yōu)化基于P3HT:PC61BM共混體相異質(zhì)結(jié)光活性層的電池器件性能。結(jié)果表明,P3HT:PC61BM薄膜的厚度為240nm,退火溫度為120℃時器件的光電轉(zhuǎn)換效率最佳,達(dá)到3.12%。在此基礎(chǔ)上,利用溶膠凝膠法制備了粒徑分別為6-8nm及100-500nm的ZnO納米顆粒,并且將制備的ZnO納米顆粒應(yīng)用在有機(jī)太陽能電池器件中作為陰極緩沖層,討論不同的方法合成的ZnO對器件性能的影響。結(jié)果表明粒徑較小的ZnO更適合作為陰極緩沖層。ZnO作為P3HT:PC61BM共混異質(zhì)結(jié)的有機(jī)太陽能電池器件陰極緩沖層可以顯著提高器件的熱穩(wěn)定性及在空氣中的穩(wěn)定性。 2.通過選擇和更換不同的給體材料P3HT和受體材料ICBA的組合,調(diào)整基于P3HT:ICBA薄膜的厚度以及熱退火工藝方法,優(yōu)化P3HT:ICBA薄膜的厚度為240nm,退火溫度為120℃時器件的效率最高可以達(dá)到3.08%。使用氯苯和添加劑1,8-二碘辛烷(DIO)作為混合溶劑制備P3HT:ICBA薄膜,優(yōu)化了器件制備工藝。在使用ZnO納米顆粒作為陰極緩沖層時,提出了一種新的薄膜干燥工藝：真空干燥法。使用真空干燥法,既可以使器件充分干燥,除去薄膜中殘留的DIO,又可以保持薄膜原有的相分離形貌,方便上層ZnO分散液的旋涂。使用真空干燥工藝和ZnO作為陰極緩沖層,最終器件的效率提高到了4.43%。同時,器件的穩(wěn)定性研究表明：基于P3HT:PC61BM的器件性能的穩(wěn)定性優(yōu)于基于P3HT:ICBA器件。 3.使用新型給體材料PBDT-TT-F與PC61BM共混,優(yōu)化了PBDT-TT-F:PC61BM共混體相異質(zhì)結(jié)光活性層的厚度,提升了電池器件性能,器件的效率最高可達(dá)到5.37%。研究了基于PBDT-TT-F:PC61BM共混體相異質(zhì)結(jié)在各個波段范圍內(nèi)的光電響應(yīng)EQE,發(fā)現(xiàn)器件在350-550nm波段的量子轉(zhuǎn)換效率EQE較低,在一定程度上限制了器件的短路電流。這是由于PBDT-TT-F對350-550nm波長的光子吸收能力較小。與此相對應(yīng)的,P3HT薄膜的最大吸收位于450-600nm,與PBDT-TT-F薄膜的光譜吸收形成良好的互補關(guān)系。利用PBDT-TT-F與P3HT的吸收互補性,我們提出了一種新的器件結(jié)構(gòu)：將P3HT作為光譜增感層,PBDT-TT-F:PC61BM作為光活性層的一種新器件結(jié)構(gòu)。優(yōu)化P3HT作為光譜增感層的厚度為20nm時,提高了基于PBDT-TT-F:PC61BM共混異質(zhì)結(jié)電池在400-600nm的光譜響應(yīng)能力,器件的短路光電流由11.42mA/cm2提高到了12.15mA/cm2。 【關(guān)鍵詞】：器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化 ZnO納米顆粒 陰極緩沖層 太陽能電池器件穩(wěn)定性 真空干燥工藝 光譜增感層
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 緒論10-22
• 1.1 有機(jī)太陽能電池的歷史與發(fā)展現(xiàn)狀10-12
• 1.1.1 有機(jī)太陽能電池的研究意義10-11
• 1.1.2 有機(jī)太陽能電池的歷史與發(fā)展現(xiàn)狀11-12
• 1.2 有機(jī)太陽能電池的原理、物理模型和性能表征12-15
• 1.2.1 有機(jī)太陽能電池的原理12-13
• 1.2.2 有機(jī)太陽能電池的等效電路和器件性能表征13-15
• 1.3 有機(jī)太陽能電池的器件結(jié)構(gòu)和工藝15-20
• 1.3.1 有機(jī)太陽能電池的器件結(jié)構(gòu)15-18
• 1.3.2 有機(jī)太陽能電池器件制備的工藝和改善器件性能的方法18-20
• 1.4 本論文的提出和主要工作20-21
• 1.5 本論文的主要創(chuàng)新點21-22
• 第二章 基于P3HT：PC_(61)BM共混異質(zhì)結(jié)的有機(jī)太陽能電池器件性能優(yōu)化22-46
• 2.1 前言22-23
• 2.2 P3HT：PC_(61)BM薄膜厚度及薄膜的光譜吸收與旋涂速度關(guān)系工作曲線23-25
• 2.3 基于LiF/Al陰極的P3HT：PC_(61)BM太陽能電池器件性能優(yōu)化25-29
• 2.3.1 P3HT：PC_(61)BM厚度的優(yōu)化25-28
• 2.3.2 后退火過程對器件性能的影響28-29
• 2.4 基于ZnO/Al陰極的P3HT：PC_(61)BM太陽能電池器件性能優(yōu)化29-33
• 2.4.1 ZnO納米顆粒的制備與表征30-31
• 2.4.2 ZnO納米顆粒的XRD31-32
• 2.4.3 ZnO納米顆粒的吸收特性32-33
• 2.5 ZnO/Al與LiF/Al器件穩(wěn)定性能比較33-39
• 2.5.1 ZnO和LiF用于有機(jī)太陽能電池器件陰極緩沖層的器件結(jié)構(gòu)簡圖33-34
• 2.5.2 兩種ZnO納米顆粒用于有機(jī)太陽能電池器件陰極緩沖層34-35
• 2.5.3 ZnO/Al與LiF/Al器件的熱穩(wěn)定性35-38
• 2.5.4 ZnO/Al與LiF/Al器件的空氣穩(wěn)定性38-39
• 2.6 實驗部分39-44
• 2.6.1 P3HT：PC_(61)BM厚度與旋涂速度關(guān)系的標(biāo)定39-41
• 2.6.2 ZnO納米顆粒的溶膠凝膠法制備與表征41-44
• 2.7 小結(jié)44-46
• 第三章 基于P3HT：ICBA共混異質(zhì)結(jié)的有機(jī)太陽能電池器件性能優(yōu)化46-64
• 3.1 前言46-47
• 3.2 不同批次P3HT與ICBA對器件性能的影響47-50
• 3.2.1 不同批次P3HT對器件性能的影響47-48
• 3.2.2 不同批次ICBA對器件性能的影響48-50
• 3.3 不同活性層厚度和后退火溫度對P3HT：ICBA太陽能電池器件性能的影響50-53
• 3.3.1 活性層厚度對器件性能的影響50-51
• 3.3.2 后退火過程對器件性能的影響51-53
• 3.4 基于LiF/Al及ZnO/A1陰極的P3HT：ICBA太陽能電池器件性能優(yōu)化53-54
• 3.5 溶劑對P3HT：ICBA器件性能的影響54-57
• 3.5.1 使用CB+DIO對器件性能的影響54-56
• 3.5.2 使用CB+DIO作為溶劑熱退火對活性層薄膜形貌的影響56
• 3.5.3 使用CB+DIO作為溶劑熱退火對活性層薄膜吸收的影響56-57
• 3.6 使用CB+DIO作為溶劑制備器件的真空干燥工藝57-59
• 3.6.1 活性層薄膜真空干燥工藝對器件性能的影響57-59
• 3.6.2 真空干燥工藝后旋涂ZnO對活性層表面形貌和吸收光譜的影響59
• 3.7 P3HT：PC_(61)BM及P3HT：ICBA器件穩(wěn)定性能比較研究59-61
• 3.8 實驗部分61-63
• 3.8.1 實驗材料61
• 3.8.2 實驗設(shè)備61-62
• 3.8.3 器件制備工藝62-63
• 3.8.4 器件表征63
• 3.9 小結(jié)63-64
• 第四章 基于PBDT-TT-F：PC_(61)BM共混異質(zhì)結(jié)的有機(jī)太陽能電池器件性能優(yōu)化64-84
• 4.1 前言64-66
• 4.2 PBDT-TT-F：PC_(61)BM器件的優(yōu)化66-70
• 4.2.1 厚度對器件性能的影響66-68
• 4.2.2 退火過程和ZnO納米顆粒對器件性能的影響68-70
• 4.3 PBDT-TT-F：PC_(61)BM器件的光譜響應(yīng)研究70
• 4.4 利用P3HT與PBDT-TT-F的吸收互補關(guān)系制備器件70-77
• 4.4.1 P3HT：PBDT-TT-F：PC_(61)BM三相共混薄膜的吸收光譜70-71
• 4.4.2 P3HT：PBDT-TT-F：PC_(61)BM三相共混薄膜器件的性能71-73
• 4.4.3 二氯甲烷對P3HT薄膜的破壞作用研究73-75
• 4.4.4 P3HT/PBDT-TT-F：PC_(61)BM平面異質(zhì)結(jié)薄膜的吸收光譜75-76
• 4.4.5 P3HT的厚度對器件性能的影響76-77
• 4.5 P3HT作為光譜增感層對器件性能提升的理論解釋77-79
• 4.5.1 P3HT作為光譜增感層器件的模型和能級分布77
• 4.5.2 P3HT光譜增感層對器件物理過程的影響77-79
• 4.6 實驗部分79-82
• 4.6.1 實驗材料79-80
• 4.6.2 實驗設(shè)備80-81
• 4.6.3 器件的制備工藝81-82
• 4.7 小結(jié)82-84
• 第五章 結(jié)論84-86
• 參考文獻(xiàn)86-92
• 致謝92-94
• 碩士期間發(fā)表論文和成果94

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