改善有機(jī)太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的研究

【摘要】：石油、煤炭、天然氣這三大傳統(tǒng)能源的過量使用，已經(jīng)對人們的日常生活環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響，酸雨、溫室效應(yīng)和由此引發(fā)的一系列環(huán)境污染問題、以及化石能源的不可再生性所帶來的能源危機(jī)問題，已經(jīng)使人們意識到了傳統(tǒng)能源的危害性和對新能源的迫切需求。 廣泛分布的、取之不竭的太陽能，出于其清潔性與可再生性，是解決這一全球性問題的有效手段。有機(jī)太陽能電池（Organic Photovoltaic，OPV）作為有效的途徑之一，憑借著其制造成本低廉、材料重量輕、加工性能好，并可實現(xiàn)柔性，提高便攜性等優(yōu)勢而備受好評。 1986年，C. W. Tang在Appl. Phys. Lett.上發(fā)表的文章中獨創(chuàng)性地提出了給體、受體異質(zhì)結(jié)的雙層結(jié)構(gòu)，為小分子有機(jī)薄膜太陽能電池的發(fā)展奠定了一個很好的基礎(chǔ)。在此后的二十多年來，有機(jī)太陽能電池的性能不斷得以改善，目前德國的Heliatek公司最新報道的有機(jī)太陽能電池的效率已超過了10%。但是與無機(jī)太陽能電池相比光電轉(zhuǎn)換效率仍相差較遠(yuǎn)，提高有機(jī)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率是目前乃至未來的研究重點。 提高有機(jī)太陽能電池的效率有諸多方法，從其工作原理出發(fā)，光電轉(zhuǎn)換效率受制于光子的吸收效率A、激子的擴(kuò)散效率ED、激子在D-A界面處的分離效率CT以及電極對載流子的收集效率CC，體異質(zhì)結(jié)的引入是有效改善激子擴(kuò)散效率的方法之一。但是，體異質(zhì)結(jié)混合層的微觀結(jié)構(gòu)不是均勻一致的，成膜后給體或受體分子的連續(xù)性無法控制，所以很難保證載流子具有較好的傳輸性能，這在一定程度上限制了體異質(zhì)結(jié)OPV光電轉(zhuǎn)換效率的提高。 因此，本文基于傳統(tǒng)的體異質(zhì)結(jié)OPV結(jié)構(gòu)，在混合層中引入梯度摻雜體系，在保證了較高的激子擴(kuò)散效率的同時，使混合層中同一材料分子之間形成較好的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有效改善載流子的收集效率。 實驗中我們制備了結(jié)構(gòu)為ITO/CuPc(10nm)/CuPc:C60(2:1)(4nm)/CuPc:C60(1.5:1)(4nm)/CuPc:C60(1:1)(4nm)/CuPc:C60(1:1.5)(4nm)/CuPc:C60(1:2)(4nm)/C60(30nm)/Bphen(8nm)/Al(100nm)的OPV器件，在AM1.5，光功率100mW/cm2模擬太陽光照射的條件下器件的性能參數(shù)達(dá)到了VO C=0.42V，J SC=9.18mA/cm~2，與傳統(tǒng)的體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)OPV器件ITO/CuPc(10nm)/CuPc:C60(1:1)(20nm)/C60(30nm)/Bphen(8nm)/Al(100nm)相比光電轉(zhuǎn)換效率P提高了25%。JSC以及P的提升歸因于梯度摻雜體系的引入改善了混合層內(nèi)部同一種材料分子間的連續(xù)性，提高了電極對載流子的收集效率CC，降低了器件的串聯(lián)電阻RS，從而改善了器件的光電轉(zhuǎn)換效率。 另外從器件的結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，陽極緩沖層常被應(yīng)用到OPV器件ITO陽極與電子給體之間，可以有效地阻擋電子向陽極的遷移，從而降低器件的漏電流，改善器件的性能。本文在對比了一些目前較為常用的阻擋層材料PEDOT:PSS、MoO3、V2O5、WO3等優(yōu)缺點后，采用了生長溫度較低、生長速率易控制的有機(jī)材料NPB以及TPTPA作為陽極緩沖層，研究其對OPV性能的影響。 實驗中我們制備了結(jié)構(gòu)為ITO/buffer layer/CuPc(20nm)/C60(40nm)/Bphen(8nm)/Al(100nm)的OPV器件，對比實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)TPTPA作為陽極緩沖層的器件性能得以有效提升，之后對TPTPA層的厚度進(jìn)行優(yōu)化，制備了結(jié)構(gòu)為ITO/TPTPA(x nm)/CuPc(20-x nm)/C60(40nm)/Bphen(8nm)/Al(100nm)的四組OPV器件，x分別為2、5、10、15nm，結(jié)果顯示當(dāng)TPTPA層厚度為10nm時，器件的性能為最優(yōu)。實驗結(jié)果顯示陽極緩沖層的引入利用能級的優(yōu)勢可有效降低器件的漏電流，但同時要考慮空穴遷移率不至于過低而影響載流子被電極的收集效率，所以兼顧二者可有效地改善OPV的性能。 【關(guān)鍵詞】：有機(jī)太陽能電池 光電轉(zhuǎn)換效率 梯度摻雜 陽極緩沖層
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(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4-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-28
• 1.1 引言11-15
• 1.1.1 題目研究背景與意義11-14
• 1.1.2 太陽能14-15
• 1.2 太陽能電池15-21
• 1.2.1 太陽能電池的分類17-19
• 1.2.2 太陽能電池的性能參數(shù)19-21
• 1.3 有機(jī)太陽能電池21-26
• 1.3.1 有機(jī)太陽能電池的優(yōu)勢21-22
• 1.3.2 有機(jī)太陽能電池的工作原理22-24
• 1.3.3 有機(jī)太陽能電池發(fā)展史的關(guān)鍵歷程24-26
• 1.4 本文的選題意義及思路26-28
• 第二章 梯度摻雜體系對有機(jī)太陽能電池效率的影響28-40
• 2.1 引言28-30
• 2.1.1 體異質(zhì)結(jié)太陽能電池28-29
• 2.1.2 選題意義29-30
• 2.2 實驗30-31
• 2.3 結(jié)果與討論31-37
• 2.4 小結(jié)37-40
• 第三章 陽極緩沖層對有機(jī)太陽能電池效率的影響40-49
• 3.1 引言40-42
• 3.1.1 緩沖層的應(yīng)用40-41
• 3.1.2 選題意義41-42
• 3.2 實驗42-43
• 3.3 結(jié)果及討論43-48
• 3.4 小結(jié)48-49
• 結(jié)論49-51
• 參考文獻(xiàn)51-58
• 個人簡介及科研成果58-59
• 致謝59

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