退火及碘摻雜對提高聚合物太陽能電池性能的研究

【摘要】：1986年,C.W. Tang提出了雙層有機太陽能電池的結構；1995年,Heeger提出了體異質(zhì)結太陽能電池的概念；二十一世紀,聚合物太陽能電池能量轉換效率超過7%。經(jīng)過二十多年的發(fā)展,聚合物太陽能電池取得了一個又一個的突破。本論文以P3HT:PCBM體系聚合物太陽能電池為主體,研究退火和碘摻雜前后器件性能的變化,分析了退火和碘摻雜對該體系太陽能電池性能的影響。得到以下兩個結論：i)基于P3HT:PCBM的聚合物太陽能電池經(jīng)過120℃、10min退火處理后,能量轉換效率提高,從0.26%到2.00%；ii)有源層P3HT:PCBM中摻雜了質(zhì)量比為5%的碘,短路電流密度從4 mA/cm2上升到8.7 mA/cm2,能量轉換效率提高了38.5%。對比這兩組實驗,發(fā)現(xiàn)退火和碘摻雜都有效地提高了聚合物太陽能電池的性能。具體實驗結果如下： 利用旋涂方法制備了以P3HT:PCBM為有源層的聚合物太陽能電池。器件結構為ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al,研究了退火溫度對聚合物太陽能電池性能的影響。實驗發(fā)現(xiàn)：聚合物薄膜經(jīng)過120℃、10min退火處理后,開路電壓達到0.64V,短路電流密度為10.25 mA/cm2,填充因子38.1%,光電轉換效率達到2.00%。為了討論其內(nèi)在機制,對不同退火條件下聚合物薄膜進行了各種表征。從紫外-可見吸收光譜中發(fā)現(xiàn),退火處理使P3HT:PCBM混合薄膜在可見光范圍內(nèi)吸收加強且吸收峰展寬,特別是在560和610 nm處的吸收強度明顯增大；X射線衍射(XRD)結果表明,12℃退火后P3HT在(100)晶面上的衍射強度是未退火薄膜的2.8倍,有利于光生載流子的輸運；原子力顯微鏡(AFM)研究結果表明,退火增大了P3HT:PCBM薄膜的相分離程度,提高了激子解離的幾率；傅里葉變換紅外(FTIR)光譜驗證了退火并沒有引起聚合物材料物性的變化。 通過對有源層P3HT:PCBM進行不同比例的碘摻雜,制備了體異質(zhì)結太陽能電池。當摻雜質(zhì)量比為5%時得到最佳的性能,短路電流密度從4 mA/cm2上升到8.7mA/cm2,伴隨著開路電壓的略微減小,從0.63 V下降到0.52 V。最佳的能量轉換效率達到1.51%。主要歸因于可見光吸收的加強(吸收光譜紅移、展寬),以及更好的載流子傳輸和收集。利用AFM測試了不同碘摻雜濃度有源層薄膜的相分離和表面形貌。摻雜了碘以后薄膜表面的相分離程度和表面粗糙度增大,有利于激子的解離,提高了P3HT:PCBM聚合物太陽能電池的性能。 【關鍵詞】：聚合物太陽能電池 P3HT:PCBM 退火處理 摻雜
【學位授予單位】：北京交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-9
• 序9-12
• 第一章 引言12-25
• 1.1 有機太陽能電池的簡介12-13
• 1.2 國內(nèi)外有機太能電池的最新進展13-18
• 1.2.1 能量轉換效率的發(fā)展13-15
• 1.2.2 有機太陽能電池的不同結構15-18
• 1.3 常見有機太陽能電池的給/受體材料18-20
• 1.3.1 給體材料18-20
• 1.3.2 受體材料20
• 1.4 基于P3HT:PCBM的聚合物太陽能電池20-24
• 1.4.1 聚合物太陽能電池的理論基礎21-22
• 1.4.2 P3HT:PCBM體系開路電壓的影響因素22
• 1.4.3 P3HT:PCBM體系短路電流密度的影響因素22-24
• 1.4.4 串、并聯(lián)電阻對聚合物太陽能電池性能的影響24
• 1.5 本章小結24-25
• 第二章 退火對提高有機太陽能電池性能研究的最新進展25-33
• 2.1 在退火方面研究較多的給/受體材料和器件結構25
• 2.2 退火提高有機太陽能電池的性能25-27
• 2.2.1 退火提高器件性能的實驗結果26-27
• 2.2.2 研究退火條件對器件性能的影響27
• 2.3 退火的影響因素分析27-32
• 2.3.1 AFM、XRD和TEM表征退火前后有源層的變化28-30
• 2.3.2 退火對光學特性的影響30-31
• 2.3.3 退火后載流子遷移率提高31
• 2.3.4 退火動力學過程的模型31-32
• 2.4 本章小結32-33
• 第三章 退火對提高聚合物太陽能電池性能的機理研究33-40
• 3.1 器件的制備過程33-34
• 3.2 退火對提高聚合物太陽能電池性能的機理分析34-39
• 3.2.1 退火對P3HT:PCBM薄膜光學特性的影響34-36
• 3.2.2 退火對P3HT:PCBM薄膜的微納結構的影響36-38
• 3.2.3 退火對P3HT:PCBM薄膜光電和光伏特性的研究38-39
• 3.3 本章小結39-40
• 第四章 碘摻雜對提高聚合物太陽能電池性能的研究40-53
• 4.1 碘摻雜想法的由來和器件的制備過程40-42
• 4.1.1 碘摻雜想法的由來40-41
• 4.1.2 器件的制備過程41-42
• 4.2 實驗結果42-45
• 4.2.1 實驗的前期探索42-43
• 4.2.2 實驗的優(yōu)化43-45
• 4.3 分析與討論45-52
• 4.3.1 碘摻雜對給體材料P3HT載流子遷移率的影響45-46
• 4.3.2 碘摻雜對P3HT:PCBM薄膜光伏特性的研究46-50
• 4.3.3 碘摻雜對器件串、并聯(lián)電阻及光生電流的影響50-52
• 4.4 本章小結52-53
• 第五章 結論53-54
• 參考文獻54-58
• 附錄A58
• 索引58-59
• 作者簡歷59-61
• 學位論文數(shù)據(jù)集61

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