溶液浸泡法制備聚合物太陽能電池的陽極緩沖層及其特性研究

【摘要】：聚合物太陽能電池作為一種低成本的薄膜太陽能電池，憑借其原材料來源豐富、制作工藝簡(jiǎn)單、成本低、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)以及可制作成柔性器件等特點(diǎn)成為最近的研究熱點(diǎn)之一。由于目前聚合物太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率相對(duì)于其它種類太陽能電池偏低，所以如何提高器件效率降低其成本成為聚合物太陽能電池領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。提高器件性能的途徑主要包括優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)、優(yōu)化制作工藝、使用新型的給體和受體材料和優(yōu)化界面緩沖層等。目前優(yōu)化界面緩沖層的研究工作主要集中在兩方面：一、采用新型材料作為界面緩沖層；二、改善已有材料的制備工藝，簡(jiǎn)化制作過程，降低生產(chǎn)成本。目前電極緩沖層的制作工藝主要有真空蒸鍍、脈沖激光沉積、化學(xué)氣相沉積和溶液旋涂等。溶液旋涂法和前三種方法相比所需設(shè)備簡(jiǎn)單（不需要真空設(shè)備），成本相對(duì)較低，能量消耗也較少。然而旋涂法要求襯底比較平整以保證其成膜質(zhì)量，而且在旋涂過程中大量的藥品被浪費(fèi)，不利于成本降低。 本文采用了一種新型的溶液浸泡法制作陽極緩沖層方法：將襯底放入配制好的溶液中超聲一段時(shí)間后取出，退火烘干之后即可制得緩沖層薄膜。同溶液旋涂法相比，浸泡法對(duì)襯底沒有要求，適用于大面積柔性及非平板的襯底，也和現(xiàn)在發(fā)展?jié)摿Υ蟮膔oll to roll工藝兼容，而且藥品可以重復(fù)使用。由于這種方法在清洗襯底的過程就能夠制備陽極緩沖層，因此簡(jiǎn)化了器件的制作工藝。 首先利用溶液旋涂法和溶液浸泡法制備了MoO_3薄層作為陽極緩沖層，并使用原子力顯微鏡和紫外分光光度計(jì)對(duì)其進(jìn)行了表征分析，然后制備了結(jié)構(gòu)為ITO/MoO_3/P3HT:PC_(60)BM/LiF/Al的聚合物太陽能電池，探索了MoO_3溶液的濃度和浸泡時(shí)間對(duì)器件特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)MoO_3溶液濃度為2g/L時(shí)，器件的能量轉(zhuǎn)換效率提高到了2.84%。并且采用溶液浸泡法制備的MoO_3陽極緩沖層用于聚合物太陽能電池時(shí)的效果稍高于旋涂法制備的MoO_3陽極緩沖層。當(dāng)MoO_3溶液的濃度較大時(shí)，MoO_3薄層的透光性較差，導(dǎo)致器件的效率降低；當(dāng)MoO_3溶液的濃度較小時(shí)，ITO不能被MoO_3完全覆蓋，產(chǎn)生較大的漏電流，導(dǎo)致器件的開路電壓和填充因子比較小，也導(dǎo)致器件的效率下降。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，浸泡時(shí)間對(duì)器件性能影響很小。 傳統(tǒng)溶液法制備WO_3陽極緩沖層時(shí)需要較高的退火溫度（高于150°C）、較長的退火時(shí)間（12h）或者WO_3薄膜存在較大的粗糙度（高于5nm），本論文實(shí)驗(yàn)中采用一種新方法配制了WO_3溶液，然后分別使用溶液旋涂法和溶液浸泡法制備了WO_3陽極緩沖層，并使用原子力顯微鏡對(duì)其進(jìn)行了表征分析，制作了結(jié)構(gòu)為ITO/WO_3/P3HT:PC_(60)BM/LiF/Al的聚合物太陽能電池，實(shí)驗(yàn)中探索了WO_3溶液的濃度和退火條件對(duì)器件特性的影響。溶液旋涂法制備的WO_3陽極緩沖層器件，當(dāng)WO_3溶液濃度為0.2g/L時(shí)，器件的效率最高達(dá)到3.06%。采用溶液浸泡法制備的WO_3陽極緩沖層器件，當(dāng)WO_3溶液濃度為0.02g/L時(shí)，器件的效率最高達(dá)到2.93%，采用溶液浸泡法的器件效果幾乎與旋涂法相當(dāng)。通過對(duì)比幾種退火溫度下器件的性能，發(fā)現(xiàn)室溫（25°C）退火時(shí)的器件效率最低，當(dāng)退火溫度達(dá)到100°C時(shí)器件性能達(dá)到最佳，但之后隨著退火溫度的升高，器件的效率并沒有明顯的提升。此外，通過比較退火時(shí)間對(duì)器件的性能影響發(fā)現(xiàn)退火時(shí)間對(duì)器件性能影響不大。 【關(guān)鍵詞】：聚合物太陽能電池 陽極緩沖層 溶液浸泡法 MoO_3 WO_3
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 緒論10-40
• 1.1 引言10
• 1.2 聚合物太陽能電池的結(jié)構(gòu)、工作原理及主要參數(shù)10-13
• 1.2.1 器件結(jié)構(gòu)10-11
• 1.2.2 器件工作原理11-12
• 1.2.3 聚合物太陽能電池的主要參數(shù)12-13
• 1.3 聚合物太陽能電池的研究進(jìn)展13-29
• 1.3.1 優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)14-17
• 1.3.2 優(yōu)化器件制作工藝17-23
• 1.3.3 使用新型給體和受體材料23-26
• 1.3.4 優(yōu)化界面緩沖層26-29
• 1.4 聚合物太陽能電池界面緩沖層的研究進(jìn)展29-38
• 1.5 本論文工作38-40
• 第二章 溶液浸泡法制備 MoO_3陽極緩沖層的聚合物太陽能電池40-54
• 2.1 實(shí)驗(yàn)過程40-44
• 2.2 測(cè)試結(jié)果及分析討論44-53
• 2.3 本章小結(jié)53-54
• 第三章 溶液浸泡法制備 WO_3陽極緩沖層的聚合物太陽能電池54-65
• 3.1 實(shí)驗(yàn)過程54-55
• 3.2 結(jié)果和分析55-63
• 3.2.1 溶液旋涂法制備 WO_3陽極緩沖層55-59
• 3.2.2 溶液浸泡法制備 WO_3陽極緩沖層59-63
• 3.3 本章小結(jié)63-65
• 第四章 總結(jié)與展望65-66
• 參考文獻(xiàn)66-73
• 致謝73

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