摻雜對(duì)聚合物太陽(yáng)能電池性能的影響及相關(guān)機(jī)理研究

【摘要】：摘要：隨著化石能源的日益枯竭和世界范圍內(nèi)對(duì)清潔能源的需求不斷增長(zhǎng),太陽(yáng)能電池已經(jīng)吸引了越來(lái)越多的關(guān)注。聚合物太陽(yáng)能電池由于具有加工成本低,環(huán)境友好,相容于柔性基底和重量輕的特點(diǎn),被認(rèn)為是一種極具潛力的新能源技術(shù)。2013年,Liao等人制備的基于PTB7-th的聚合物太陽(yáng)能電池效率達(dá)到了9.35%,刷新了目前公開報(bào)道的單結(jié)聚合物太陽(yáng)能電池最高效率。提高聚合物太陽(yáng)能電池效率的研究切入點(diǎn)包括高效率的給受體材料,有源層形貌控制,界面能級(jí)修飾和器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。摻雜是一種相對(duì)簡(jiǎn)單而能有效提高聚合物太陽(yáng)能電池性能的手段,它同時(shí)還能夠保持電池低成本,容易大規(guī)模制備和相容于柔性基板的特點(diǎn)。本文主要研究了通過(guò)摻雜提高聚合物太陽(yáng)能電池性能的兩種方法及其相關(guān)物理機(jī)理。 磷光材料是一類發(fā)光衰減緩慢的材料,一般是各種重金屬配合物或是稀土金屬配合物。磷光材料的發(fā)光過(guò)程中起作用的主要是壽命長(zhǎng)的三線態(tài)激子。在聚合物太陽(yáng)能電池中引入三線態(tài)激子,可以利用其特點(diǎn),提高激子解離幾率。我們?cè)谙嗤瑮l件下制備了一系列基于P3HT:PCBM或P3HT:PCBM:Ir(btpy)3共混有源層的聚合物太陽(yáng)能電池器件,研究了磷光材料Ir(btpy)3摻雜濃度和退火溫度對(duì)性能的影響。摻入Ir(btpy)3后,有源層的吸收特性得到了改善,對(duì)薄膜光致發(fā)光光譜的研究表明在P3HT與Ir(btpy)3間有能量傳遞發(fā)生。在不進(jìn)行退火處理的情況下,在有源層中摻入Ir(btpy)3的電池短路電流密度(Jsc)和開路電壓(Voc)明顯增大。這些現(xiàn)象可被歸因?yàn)閺腎r(btpy)3到P3HT分子間的能量傳遞。在低溫退火條件下,摻雜Ir(btpy)3的器件性能有一定的提升,在高溫退火時(shí)則器件性能明顯下降。說(shuō)明基于P3HT:PCBM摻雜Ir(btpy)3的聚合物太陽(yáng)能電池不適宜采用高溫退火工藝處理。 溶劑添加劑能夠有效提高基于多種體系的聚合物太陽(yáng)能電池的性能,添加劑一般具有高沸點(diǎn)以及對(duì)給體或受體材料的高溶解性。為了研究DIO添加劑在聚合物太陽(yáng)能電池中的作用機(jī)理,我們制備并比較了一系列以PBDTTT-C:PC71BM為有源層的器件。在摻入體積比為3%的DIO添加劑后,器件的Jsc從8.84mA/cm2增大到12.11mA/cm2,FF從44.5%增至63.1%。器件的PCE從2.95%提升至5.35%,增大的幅度達(dá)到了80%。模擬計(jì)算表明,摻雜添加劑能夠改變光場(chǎng)的分布,可能達(dá)到優(yōu)化有源層吸收的作用。對(duì)于器件光生電流、串并聯(lián)電阻的分析說(shuō)明電池性能的提高主要是由于摻雜DIO添加劑改進(jìn)了有源層中的電荷載流子傳輸特性。 【關(guān)鍵詞】：聚合物太陽(yáng)能電池 摻雜 磷光材料 添加劑
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(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】：

• 致謝5-6
• 中文摘要6-7
• ABSTRACT7-9
• 序9-12
• 1 引言12-29
• 1.1 聚合物太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)介12-15
• 1.1.1 聚合物太陽(yáng)能電池的發(fā)展歷程12-13
• 1.1.2 聚合物太陽(yáng)能電池的工作原理與相關(guān)參數(shù)13-15
• 1.2 高效聚合物太陽(yáng)能電池材料15-19
• 1.2.1 窄帶隙聚合物太陽(yáng)能電池給體材料16-18
• 1.2.2 新型聚合物太陽(yáng)能電池受體材料18-19
• 1.3 調(diào)控分子排布提高器件性能19-23
• 1.3.1 退火處理20-21
• 1.3.2 溶劑添加劑21-22
• 1.3.3 外加電磁場(chǎng)調(diào)控分子生長(zhǎng)過(guò)程22-23
• 1.4 優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)方面的研究進(jìn)展23-28
• 1.4.1 疊層結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)能電池23-25
• 1.4.2 光纖聚合物太陽(yáng)能電池25-26
• 1.4.3 聚合物反型太陽(yáng)能電池26-28
• 1.5 本文的選題依據(jù)28-29
• 2 磷光材料摻雜對(duì)聚合物太陽(yáng)能電池作用的研究29-38
• 2.1 摻雜磷光材料的依據(jù)29-30
• 2.2 器件制備30-31
• 2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析31-37
• 2.3.1 P3HT與Ir(btpy)_3混合薄膜中的能量傳遞31-33
• 2.3.2 摻雜Ir(btpy)_3對(duì)器件吸收的影響33-34
• 2.3.3 摻雜Ir(btpy)_3對(duì)P3HT發(fā)光壽命的影響34-35
• 2.3.4 摻雜提高聚合物太陽(yáng)能電池的性能35-37
• 2.4 本章小結(jié)37-38
• 3 添加劑提高聚合物太陽(yáng)能電池性能的機(jī)理研究38-46
• 3.1 摻雜添加劑提高太陽(yáng)能電池性能機(jī)理的報(bào)道38-39
• 3.2 器件制備39-40
• 3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析40-45
• 3.3.1 摻雜與未摻DIO添加劑器件性能的比較40-41
• 3.3.2 器件串并聯(lián)電阻和填充因子的變化41
• 3.3.3 器件中激子產(chǎn)量和載流子傳輸特性的變化41-44
• 3.3.4 DIO對(duì)有源層薄膜和器件光學(xué)特性的影響44-45
• 3.4 本章小結(jié)45-46
• 4 結(jié)論46-47
• 參考文獻(xiàn)47-52
• 附錄A52-53
• 索引53-54
• 作者簡(jiǎn)歷54-56
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集56

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