有機(jī)光伏器件—高效聚合物太陽(yáng)電池和近紅外光電探測(cè)器

【摘要】：有機(jī)光伏器件由于其具有輕便、低成本以及可以溶液加工等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。然而，可用于溶液加工的有機(jī)光伏器件—聚合物太陽(yáng)電池以及聚合物近紅外光電探測(cè)器在能量轉(zhuǎn)換效率以及器件穩(wěn)定性等方面，與傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)光伏電器件相比還處于劣勢(shì)。鑒于此，本論文的主要工作就是基于可溶液加工的聚合物材料體系,對(duì)光伏器件制備工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高聚合物太陽(yáng)電池以及近紅外光電探測(cè)器的性能，探索實(shí)現(xiàn)溶液加工工藝制備高性能的聚合物光伏器件的新途徑。 我們首先研究了基于萘[1,2-c:5,6-c]二[1,2,5]噻二唑（萘二并噻二唑）的吸電子基團(tuán)的“電子給體-電子受體”（donor-acceptor，D-A）型共軛聚合物(PBDT-DTNT)作為給體材料的太陽(yáng)電池性能。由于萘二并噻二唑的強(qiáng)吸電子能力，聚合物PBDT-DTNT表現(xiàn)出優(yōu)異的光電性能。我們主要從薄膜的納米尺寸形貌對(duì)基于該聚合物的太陽(yáng)電池性能進(jìn)行優(yōu)化研究，我們發(fā)現(xiàn)，熱退火處理、溶劑添加劑等處理方法，能夠提高基于該聚合物的太陽(yáng)電池的性能，獲得較高的能量轉(zhuǎn)化效率，我們的研究和發(fā)現(xiàn)表明PBDT-DTNT是一種非常有潛力的電子給體材料。同時(shí)，我們的研究結(jié)果對(duì)于優(yōu)化基于萘二并噻二唑的吸電子基團(tuán)的一系列共軛聚合物作為給體材料的太陽(yáng)電池器件有著重要的參考作用。 在以上的研究基礎(chǔ)之上，我們?nèi)匀徊捎肞BDT-DTNT:PC71BM材料體系作為活性層材料，并采用可交聯(lián)共軛聚合物PFN-OX作為電子抽取層，制備倒裝聚合物太陽(yáng)電池，系統(tǒng)研究了活性層薄膜的厚度與聚合物太陽(yáng)電池性能的關(guān)系。通過(guò)濕法成膜，我們制備出一系列具有不同活性層厚度的的器件，厚度范圍從85nm到1300nm。當(dāng)活性層厚度為280nm時(shí)，得到最高的能量轉(zhuǎn)換效率8.62%，當(dāng)厚度在1000nm左右時(shí)，器件的能量轉(zhuǎn)化效率仍有7.24%。我們發(fā)現(xiàn)，隨著活性層厚度的增加，載流子的遷移率仍然保持較高的水平。通過(guò)掠入射小角X射線散射（GISAXS）以及掠入射廣角X射線散射(GIWAXS)對(duì)不同厚度的活性層薄膜微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析得出，厚度的增加并沒(méi)有改變共混體系中聚合物鏈的高度有序性，意味著膜厚的增加并沒(méi)有影響空穴在聚合物主鏈之間沿著聚合物骨架的傳輸，這是基于該材料體系的聚合物太陽(yáng)電池在如此厚膜的情況下還能保持高效率的原因所在。我們的結(jié)果表明該材料體系在卷對(duì)卷（R2R，roll to roll）生產(chǎn)工藝上有非常大的應(yīng)用潛力。 第三部分工作中，我們基于一種新型的窄帶隙共軛聚合物PTZBTTT-BDT，制備出了高性能的聚合物近紅外光電探測(cè)器。鑒于水醇溶的共軛聚合物PFN能夠提高聚合物太陽(yáng)電池的各項(xiàng)性能，特別是能夠降低器件的暗電流，我們將PFN應(yīng)用于該聚合物近紅外光電探測(cè)器的陰極修飾，在室溫工作條件下，該探測(cè)器的光譜響應(yīng)范圍能夠從紫外區(qū)域延伸至近紅外區(qū)域（400nm-1100nm）。在400nm到950nm范圍內(nèi)，探測(cè)率高達(dá)1013cm.Hz1/2/W，在950nm到1100nm范圍內(nèi)，探測(cè)率高于1010cm.Hz1/2/W。我們發(fā)現(xiàn)，加有PFN陰極修飾層的光電探測(cè)器展現(xiàn)出更好的二極管特性，在反向偏壓下，器件的暗電流得到了很好的抑制，從而降低了因暗電流帶來(lái)的噪聲，因此使得加有PFN陰極修飾層的光電探測(cè)器展現(xiàn)出與無(wú)機(jī)硅探測(cè)器可比擬的優(yōu)異性能。 基于以上的研究工作，我們?nèi)匀徊捎靡陨辖t外材料PTZBTTT-BDT作為活性層的給體材料，并采用可交聯(lián)共軛聚合物PFN-OX作為電子抽取層，來(lái)制備倒裝聚合物近紅外光電探測(cè)器，同時(shí)采用傳統(tǒng)的陰極修飾材料ZnO作為電子抽取層制備探測(cè)器進(jìn)行對(duì)比研究。我們發(fā)現(xiàn)，在室溫零偏壓下，基于PFN-OX電子抽取層的光電探測(cè)器對(duì)800nm波長(zhǎng)的近紅外光的光響應(yīng)率可達(dá)116mA/W，相應(yīng)的探測(cè)率達(dá)到1.02×1013cm Hz1/2/W。而采用傳統(tǒng)的電子抽取層ZnO的倒裝探測(cè)器的探測(cè)率則為1.71×1012cm Hz1/2/W，比基于PFN-OX電子抽取層的光電探測(cè)器的探測(cè)率幾乎小一個(gè)數(shù)量級(jí)，這一結(jié)果證明，PFN-OX薄膜相比ZnO薄膜具有更好的陰極修飾作用。同時(shí)，我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用PFN-OX修飾ITO陰極制備倒裝聚合物光電探測(cè)器，是獲得高性能的倒裝聚合物光電探測(cè)器的一條十分有效的途徑。 【關(guān)鍵詞】：聚合物光伏器件 太陽(yáng)電池 近紅外光電探測(cè)器 器件性能 器件結(jié)構(gòu) 界面修飾
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM914.4;TN215
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 緒論12-34
• 1.1 引言12-13
• 1.2 聚合物太陽(yáng)電池與近紅外光電探測(cè)器的發(fā)展概況13-15
• 1.3 聚合物太陽(yáng)電池與光電探測(cè)器的原理15-23
• 1.3.1 聚合物太陽(yáng)電池的工作原理15-17
• 1.3.2 聚合物太陽(yáng)電池的伏安特性曲線和性能參數(shù)17-20
• 1.3.3 聚合物太陽(yáng)電池工作過(guò)程中的能量損耗機(jī)制20-22
• 1.3.4 聚合物光電探測(cè)器的主要性能參數(shù)22-23
• 1.4 聚合物太陽(yáng)電池與光電探測(cè)器的器件性能優(yōu)化方法23-31
• 1.4.1 活性層薄膜微觀形貌調(diào)控23-28
• 1.4.2 活性層與電極之間的界面修飾28-31
• 1.5 本論文的研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新之處31-34
• 第二章 聚合物太陽(yáng)電池與近紅外光電探測(cè)器的器件制備和測(cè)試34-42
• 2.1 器件制備34-37
• 2.1.1 器件制備流程34-36
• 2.1.2 器件制備所需儀器設(shè)備36-37
• 2.2 聚合物太陽(yáng)電池與近紅外光電探測(cè)器的性能測(cè)試37-40
• 2.2.1 太陽(yáng)模擬光源標(biāo)準(zhǔn)37-38
• 2.2.2 電池伏安特性測(cè)試38
• 2.2.3 光電靈敏度以及外量子效率測(cè)試38-39
• 2.2.4 單色光照射下的探測(cè)器伏安特性測(cè)試39-40
• 2.3 聚合物薄膜相關(guān)特性測(cè)試40-41
• 2.3.1 薄膜的吸收光譜測(cè)試40-41
• 2.3.2 薄膜的表面形貌測(cè)試41
• 2.3.3 薄膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征測(cè)試41
• 2.4 本章小結(jié)41-42
• 第三章 基于萘二并噻二唑的聚合物給體材料的太陽(yáng)電池性能研究42-56
• 3.1 引言42-44
• 3.2 聚合物 PBDT-DTNT 的光電性能44-45
• 3.3 基于 PBDT-DTNT 的太陽(yáng)電池器件光伏性能研究45-54
• 3.3.1 熱退火處理對(duì)器件性能的影響45-50
• 3.3.2 氯萘作為溶劑添加劑對(duì)器件性能的影響50-54
• 3.4 本章小結(jié)54-56
• 第四章 具有超厚活性層的高效倒裝聚合物太陽(yáng)電池性能研究56-78
• 4.1 引言56-58
• 4.2 PFN-OX 的抗溶劑性58-61
• 4.3 溶劑添加劑對(duì)倒裝器件性能的影響61-66
• 4.4 具有不同厚度的活性層的倒裝器件性能研究66-75
• 4.5 倒裝器件的穩(wěn)定性75-76
• 4.6 本章小結(jié)76-78
• 第五章 基于一種新型窄帶隙共軛聚合物的近紅外光電探測(cè)器性能研究78-90
• 5.1 引言78-79
• 5.2 近紅外光電探測(cè)器的制備79-82
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)所用聚合物材料79-82
• 5.2.2 器件結(jié)構(gòu)82
• 5.3 近紅外光電探測(cè)器的性能研究82-84
• 5.4 PFN 作為探測(cè)器的陰極修飾降低暗電流噪聲84-87
• 5.5 MoO3 作為探測(cè)器的陽(yáng)極修飾提高器件穩(wěn)定性87-89
• 5.6 本章小結(jié)89-90
• 第六章 可交聯(lián)的共軛聚合物作為電子抽取層的倒裝聚合物近紅外光電探測(cè)器的性能研究90-102
• 6.1 引言90-91
• 6.2 倒裝近紅外光電探測(cè)器的制備91-92
• 6.2.1 實(shí)驗(yàn)所用材料91
• 6.2.2 器件制備與表征91-92
• 6.3 不同電子抽取層的倒裝近紅外光電探測(cè)器的性能研究92-101
• 6.4 本章小結(jié)101-102
• 結(jié)論102-104
• 參考文獻(xiàn)104-120
• 攻讀博士學(xué)位期間取得的研究成果120-126
• 致謝126-127
• 附件127

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