Fe_3O_4作為陽極緩沖層在有機小分子太陽能電池中作用的研究

【摘要】：隨著科學的不斷發(fā)展,人們對傳統(tǒng)能源的消耗越來越大，終究會消耗殆盡。人們對新型能源的開發(fā)勢在必行，其中太陽能成為最有潛力的替代能源。無機太陽能電池雖然具有較高的功率轉(zhuǎn)化效率，但由于其生產(chǎn)成本高，非柔性等缺點，無法大規(guī)模的民用化。而有機太陽能電池具有生產(chǎn)成本低，柔性和生產(chǎn)工藝簡單等優(yōu)點，具備了大規(guī)模民用化的潛力，所以有機太陽能電池的研發(fā)受到人們的廣泛關(guān)注。 本論文首先介紹了太陽能電池研究意義和研究進展，以及有機小分子太陽能電池的研究現(xiàn)狀。有機小分子因其易提純，且能實現(xiàn)較高的載流子遷移率，從而使有機太陽能電池的應用范圍進一步拓寬。然后詳細介紹了有機小分子太陽能電池器件的制作條件和工藝，器件采用雙層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)可以克服體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中均勻性等不可預測的因素的影響，在CuPc與ITO薄膜層之間引入Fe_3O_4材料作為緩沖層，采用高真空熱蒸發(fā)方法制作各層薄膜和Al金屬電極，完成雙層異質(zhì)結(jié)ITO/Fe_3O_4/CuPc/C_(60)/BCP/Al有機太陽能電池的制作，最后對引入不同厚度緩沖層的器件進行測試并對測試結(jié)果進行分析。實驗結(jié)果顯示，引入厚度為1nm的Fe_3O_4可以最大程度提高器件的功率轉(zhuǎn)換效率。器件的開路電壓為0.344V，短路電流密度為2.52mA/cm~2，填充因子經(jīng)計算后為49.6%，能量轉(zhuǎn)換效率達到了0.43%。應用紫外光電子能譜和原子力顯微鏡等表征手段，說明和論述了Fe_3O_4在器件中作為陽極緩沖層，使得器件性能得到提高的機理。此外，利用軟件模擬了波長為470nm和625nm入射光照射器件的光場分布，將引入1nm的Fe_3O_4作為緩沖層的器件與未引入1nm的Fe_3O_4器件進行對比，器件光場分布改變較小，說明引入1nm的Fe_3O_4不會在吸收光能方面影響器件的性能。 器件性能主要受到功函數(shù)與薄膜表面形貌的影響。一般條件下，當增加陽極功函數(shù)，則CuPc與陽極之間的能級差就會減小，空穴的收集效率增加，器件的短路光電流就會提高。這是因為在陽極ITO與Fe_3O_4薄膜的交界面處，緩沖層Fe_3O_4薄膜與CuPc的界面處，存在界面偶極子。正是由于界面偶極子的作用，能極差減小了。在選用Fe_3O_4作為陽極緩沖層后，由紫外光電子能譜可知，CuPc與陽極之間的能級差減小了0.2eV。當陽極表面形貌變化時，同樣會影響器件的性能，陽極表面變得越粗糙，表面處局部陷阱密度就會增加。這些陷阱能夠俘獲更多的載流子，陽極表面就會俘獲更多的空穴，阻擋了空穴注入。陽極表面的粗糙度明顯的影響了器件的功率轉(zhuǎn)化效率。由原子力顯微鏡的圖像可知，在ITO表面蒸鍍Fe_3O_4薄膜，表面的粗糙度變小，由原來的1.79nm變?yōu)?.45nm，陽極表面更加平整，薄膜電阻減小，空穴更容易注入，短路光電流增大，功率轉(zhuǎn)化效率提高。這樣在陽極表面蒸鍍Fe_3O_4薄膜作為陽極緩沖層，影響器件功率轉(zhuǎn)化效率的兩種因素得到了改善。 【關(guān)鍵詞】：有機小分子太陽能電池 陽極緩沖層 紫外光電子能譜 Fe_3O_4 粗糙度
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 前言12-19
• 1.1 研究意義12-13
• 1.2 太陽能電池發(fā)展13-18
• 1.2.1 無機太陽能電池的研究進展13-14
• 1.2.2 有機太陽能電池的研究進展14-18
• 1.3 論文主要研究內(nèi)容18-19
• 第二章 有機小分子太陽能電池的原理及材料特性19-36
• 2.1 無機太陽能電池工作原理19-20
• 2.2 太陽能電池基本結(jié)構(gòu)20-21
• 2.3 有機太陽能電池工作原理21-22
• 2.4 有機太陽能電池的結(jié)構(gòu)類型22-25
• 2.4.1 單層有機太陽能電池22-23
• 2.4.2 雙層有機太陽能電池23
• 2.4.3 體相異質(zhì)結(jié)型有機太陽能電池23-25
• 2.4.4 擴散型雙層異質(zhì)結(jié)有機太陽能電池25
• 2.5 有機太陽能電池材料25-27
• 2.5.1 自然中有機太陽能電池材料25-26
• 2.5.2 有機半導體材料的光電特性26-27
• 2.6 載流子在器件中的輸運過程27-28
• 2.7 太陽能電池器件物理參數(shù)28-36
• 2.7.1 功率轉(zhuǎn)化效率29-32
• 2.7.2 填充因子32-33
• 2.7.3 短路電流33-34
• 2.7.4 開路電壓34-35
• 2.7.5 串聯(lián)電阻35
• 2.7.6 并聯(lián)電阻35-36
• 第三章 雙層異質(zhì)結(jié)有機太陽能電池的制備與測試36-46
• 3.1 雙層異質(zhì)結(jié)有機太陽能電池結(jié)構(gòu)設計36-37
• 3.2 器件所選用材料37-40
• 3.3 器件制作的工藝流程40-43
• 3.3.1 實驗所需的儀器設備40-41
• 3.3.2 ITO 導電玻璃的處理41-42
• 3.3.3 器件各層膜的制作42-43
• 3.3.4 器件陰極的制作43
• 3.4 器件的參數(shù)測試與分析43-46
• 3.4.1 器件的光電流曲線的對比測試44-45
• 3.4.2 測試結(jié)果分析與討論45-46
• 第四章 對有機小分子太陽電池陽極緩沖層作用的研究46-70
• 4.1 陽極修飾對陽極表面形貌的影響46-54
• 4.1.1 原子力顯微鏡原理46-48
• 4.1.2 原子力顯微鏡的表征和分析48-51
• 4.1.3 表面形貌對薄膜電阻的影響51-54
• 4.2 陽極反射率的變化54-55
• 4.3 陽極修飾對有機小分子太陽能電池的光場分布的影響55-61
• 4.4 基于 UPS 對有機小分子太陽電池陽極緩沖層表征的研究61-70
• 4.4.1 光電子能譜介紹61-63
• 4.4.2 紫外光電子能譜圖的分析方法以及應用63-65
• 4.4.3 器件的紫外光電子能譜分析65-70
• 第五章 結(jié)論70-72
• 參考文獻72-76
• 作者簡介76-77
• 致謝77

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