聚合物太陽(yáng)能電池相行為的電特性掃描探針顯微技術(shù)研究

【摘要】：聚合物太陽(yáng)能電池（polymer solar cell, PSC）因其低價(jià)、柔性、可大面積制備等特點(diǎn)成為目前能源領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。目前的研究主要集中在對(duì)于電子給體、電子受體材料的設(shè)計(jì)合成、活化層成膜條件方面，對(duì)于在體相異質(zhì)結(jié)界面處電荷分離以及電池失效的微觀機(jī)制方面的研究卻很缺乏。本課題將以聚合物體相異質(zhì)結(jié)（BHJ, bulk heterojunction）聚合物太陽(yáng)能電池為模型，以聚3-己基噻吩：[6,6]-苯基C61丁酸甲酯（P3HT:PCBM）活化層薄膜體系為研究對(duì)象，利用靜電力顯微技術(shù)（Electric force microscopy，EFM）研究其相分離結(jié)構(gòu)、電荷分離特性等與器件效率之間的關(guān)聯(lián)，并對(duì)其熱失效機(jī)制進(jìn)行了初步的探索。主要研究結(jié)果如下： 一、不同P3HT:PCBM比例對(duì)聚合物太陽(yáng)能器件效率的影響。制備了P3HT:PCBM質(zhì)量比為3:1、2:1、1:1、1:2、1:3的器件，并對(duì)所有器件進(jìn)行了相同的110℃熱退火10min的處理。測(cè)試發(fā)現(xiàn)P3HT:PCBM質(zhì)量比為1:1時(shí)所得器件效率最高，達(dá)到了4%，隨P3HT:PCBM比例從3:1變到1:3，薄膜表面粗糙度從15.6nm降低到1.48nm，利用EFM對(duì)其相分離特性及表面電勢(shì)進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)隨著P3HT:PCBM質(zhì)量比例的逐漸降低，相分離的尺度逐漸減小，當(dāng)P3HT:PCBM為3:1，2:1時(shí)，體系發(fā)生了較大尺度的相分離，在1:1時(shí)相分離尺度較小，而在1:2及1:3時(shí)，幾乎觀察不到相分離；P3HT:PCBM為1:1所制得的薄膜形成的微觀互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較好，有利于電荷的分離及傳輸，因而得到了最高的器件效率，觀察了P3HT:PCBM薄膜在暗場(chǎng)及光照條件下表面電勢(shì)的變化情況，發(fā)現(xiàn)比例在3:1，2:1及1:1時(shí)，表面電勢(shì)降低，說明在表面有負(fù)電荷的聚集，而在比例1:2及1:3時(shí)，表面電勢(shì)幾乎沒有變化。 二、研究了不同熱處理溫度及時(shí)間對(duì)器件效率的影響，分別測(cè)得了70℃、110℃、150℃、190℃熱退火10min、30min、60min、90min后所得的器件效率，在70℃熱退火90min以及150℃熱退火30min的條件下器件效率分別達(dá)到了4.4%及4.6%，隨著熱處理溫度由70℃升高到190℃，薄膜表面粗糙度越來越大，而器件效率則呈現(xiàn)先上升后下降的過程，隨著熱處理時(shí)間的增長(zhǎng)，表面粗糙度同樣顯示出增大的趨勢(shì)，器件效率先是增加，到達(dá)30min以后，逐漸降低，利用紫外可見吸收光譜發(fā)現(xiàn)，與未經(jīng)熱處理的活化層薄膜相比，吸收峰發(fā)生了明顯的紅移。利用EFM相位圖像可以清楚地觀察到相分離的情況,未經(jīng)熱處理時(shí)，P3HT無規(guī)排布，沒有形成較好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，當(dāng)經(jīng)過150℃熱處理過程后，使得PCBM以納米晶粒的形式較為均勻的分散于P3HT晶體周圍，二者形成良好的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為載流子的高效傳輸提供了路徑，因此器件效率有了很大的提高。對(duì)三種熱處理?xiàng)l件下獲得的P3HT:PCBM體系異質(zhì)結(jié)薄膜的形貌及光照前后的表面電勢(shì)進(jìn)行了比較。在未熱處理時(shí)，表面形貌粗糙度較小，薄膜很平整，表面電勢(shì)均一分布，經(jīng)過150℃熱處理30min后，從形貌上可以看出形成更好的規(guī)則結(jié)構(gòu)，有大量尺寸較小的Cluster形成，有利于電荷分離，而當(dāng)熱處理溫度為190℃時(shí)，形貌像及表面電勢(shì)圖像顯示表面粗糙度大大增加，出現(xiàn)了較多的大聚集體，導(dǎo)致兩者有效界面的減少，降低了電荷的分離效率，最終導(dǎo)致器件效率的降低。 三、在變溫條件下對(duì)聚合物太陽(yáng)能電池的熱失效機(jī)制進(jìn)行了探索。選取70℃熱處理90min及150℃熱處理30min兩個(gè)最高能量轉(zhuǎn)換效率的熱處理?xiàng)l件，分別得到了其在室溫及70℃下的失效曲線，發(fā)現(xiàn)150℃熱處理30min條件制得的器件穩(wěn)定性要高于70℃熱處理90min所得的器件，對(duì)其活化層形貌的變化進(jìn)行了表征，發(fā)現(xiàn)150℃熱處理30min所得活化層薄膜具有更好的骨架結(jié)構(gòu)而70℃熱處理90min所得活化層薄膜雖然也形成了較好的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，得到較高的效率，但其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，在較高溫度下容易被破壞，從而降低其能量轉(zhuǎn)換效率。 獲得了國(guó)際有機(jī)光伏穩(wěn)定性峰會(huì)（ISOS）推薦的標(biāo)準(zhǔn)熱失效方案下的25℃，85℃以及25℃~85℃熱循環(huán)條件下的器件失效特性，比較了150熱處理30min獲得的P3HT:PCBM薄膜與經(jīng)85℃恒溫2h后的形貌像，發(fā)現(xiàn)在相分離的尺度基本不變，而表面的小突起表現(xiàn)出聚集的特性。這些結(jié)果為研究聚合物太陽(yáng)能電池的熱失效機(jī)制的研究提供了思路。 【關(guān)鍵詞】：靜電力顯微技術(shù)（EFM） 聚合物太陽(yáng)能電池（PSC）活化層 熱處理 熱失效
【學(xué)位授予單位】：青島科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 緒論11-25
• 1.1 引言11-14
• 1.1.1 聚合物太陽(yáng)能電池的基本原理11-13
• 1.1.2 常用表征技術(shù)13-14
• 1.2 聚合物太陽(yáng)能電池的電特性掃描探針顯微技術(shù)研究14-24
• 1.2.1 靜電力顯微技術(shù)14-18
• 1.2.2 導(dǎo)電原子力顯微技術(shù)18-21
• 1.2.3 開爾文探針顯微技術(shù)21-24
• 1.3 小結(jié)24-25
• 第二章 P3HT:PCBM 比例對(duì)聚合物太陽(yáng)能電池器件影響的 EFM 研究25-35
• 2.1 引言25
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分25-27
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器25-26
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟26-27
• 2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論27-34
• 2.3.1 聚合物太陽(yáng)能電池器件效率隨 P3HT:PCBM 比例變化規(guī)律的表征27-28
• 2.3.2 聚合物太陽(yáng)能電池活化層形貌隨 P3HT:PCBM 比例變化的表征28-30
• 2.3.3 聚合物太陽(yáng)能電池活化層的 EFM 表征30-34
• 2.4 小結(jié)34-35
• 第三章 聚合物太陽(yáng)能電池器件熱處理?xiàng)l件對(duì)器件效率影響的 EFM 研究35-48
• 3.1 引言35
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分35-38
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器35-36
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟36-38
• 3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論38-46
• 3.3.1 聚合物太陽(yáng)能電池器件效率隨熱處理?xiàng)l件變化規(guī)律的表征38-39
• 3.3.2 聚合物太陽(yáng)能電池活化層形貌隨熱處理?xiàng)l件的變化的表征39-43
• 3.3.3 聚合物太陽(yáng)能電池活化層的光譜表征43-44
• 3.3.4 聚合物太陽(yáng)能電池活化層的 EFM 表征44-46
• 3.4 小結(jié)46-48
• 第四章 聚合物太陽(yáng)能電池?zé)崾н^程的探索48-57
• 4.1 引言48
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分48-51
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器48-49
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟49-51
• 4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論51-57
• 4.3.1 聚合物太陽(yáng)能電池器件效率的測(cè)試51
• 4.3.2 對(duì)不同熱處理?xiàng)l件所得器件穩(wěn)定性比較的測(cè)試51-53
• 4.3.3 150℃熱處理 30 min 所得器件的穩(wěn)定性測(cè)試53-54
• 4.3.4 對(duì)失效過程中形貌及變化的 AFM 及 EFM 表征54-56
• 4.3.5 小結(jié)56-57
• 結(jié)論57-59
• 參考文獻(xiàn)59-65
• 致謝65-66
• 攻讀碩士期間發(fā)表的文章、專利及參與基金項(xiàng)目66-67

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