以NiO為空穴傳輸層的有機(jī)光伏電池的研究

【摘要】：根據(jù)聚合物有機(jī)太陽能電池的發(fā)展趨勢(shì)和研究現(xiàn)狀,針對(duì)目前在研究中存在的問題和可能的解決方案,結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件,本論文在透明導(dǎo)電陽極材料、空穴傳輸層材料、新型給體和受體材料及靜電紡絲新工藝方法等幾個(gè)方面作了有益的探索。得到的結(jié)果如下： 1、透明導(dǎo)電陽極材料方面工作 (1)對(duì)AZO膜的性能進(jìn)行了優(yōu)化,找到了AZO膜沉積的最佳溫度是250℃。這個(gè)條件下對(duì)應(yīng)的方阻為31 Q sq-1,透光率為85%。 (2)用復(fù)合靶在玻璃襯底和柔性襯底上制備了ITAZO電極。該電極材料顯示出了無定形的形貌。常溫下制備的ITAZO電極各參數(shù)為：方阻為23 ohm/square(玻璃襯底)和26 ohm/square(柔性襯底),450～800 nm波長(zhǎng)的透光性為87.5%(玻璃襯底)和86.3%(柔性襯底)。在最優(yōu)條件下制備的ITAZO電極做出來的太陽能電池的效率可以達(dá)到3.2%(玻璃襯底)和1.66%(柔性襯底),這說明了用復(fù)合靶常溫下制備的ITAZO電極是有機(jī)太陽能電池中較好的替代陽極。 (3)用自己制備的AZO、ITAZO陽極材料與現(xiàn)有的FTO一起制作了太陽能電池,對(duì)三者的太陽能電池性能進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果表明三者對(duì)應(yīng)的電池性能相當(dāng),再一次說明了AZO和ITAZO是較好的陽極替代材料。 2、空穴傳輸層方面工作 (1)詳細(xì)研究了用磁控濺射方法制備NiO膜作為聚合物太陽能電池的空穴傳輸層的過程,這個(gè)過程主要是在FTO玻璃襯底上進(jìn)行的,然后將最優(yōu)結(jié)果用在了柔性ITO襯底上。我們得到的最優(yōu)條件是：室溫,80W,30%氧含量,和10 nm的NiO膜厚度。由此而制備的太陽能電池的最高效率為3.26%(玻璃襯底)和2.49%(柔性襯底)。常溫沉積的NiO膜之所以能夠有效的增強(qiáng)器件的效率和開路電壓,主要原因是低溫沉積比高溫沉積的p型導(dǎo)電性好,以及低溫時(shí)NiO的帶隙更寬,這些都有助于電子的阻擋和空穴的傳輸。常溫濺射沉積NiO膜給大面積柔性太陽能電池的制備提供了一個(gè)良好的條件。 (2)針對(duì)電池中活性層的厚度、退火溫度、退火時(shí)間、退火前后的形貌、PCBM的不同聚集尺寸,及在活性層中加入添加劑DIO(1,8-二碘辛烷)這幾個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)的研究。得出活性層的最優(yōu)厚度為100 nm,最優(yōu)退火溫度為150℃,最優(yōu)退火時(shí)間為8分鐘。 (3)在各種陽極材料ITO、FTO、AZO(glass)、AZO(PET)、ITAZO(glass)、ITAZO(PET)上以NiO為空穴傳輸層制備太陽能電池,其開路電壓變化不大,在0.53 V到0.58 V范圍變化。從這幾個(gè)玻璃襯底來看,不論是短路電流還是曲線的形狀(即填充因子),變化都很小,說明NiO和各陽極材料間的匹配都很好,同時(shí)也反映了我們自己做的電極材料的優(yōu)勢(shì)。用最優(yōu)的AZO(250℃)和NiO (10nm)做成的太陽能電池效率最高可達(dá)3.15%,這個(gè)效率可以和FTO或ITO制備的太陽能電池性能相當(dāng)。不過在柔性襯底上制備電池的短路電流明顯比玻璃襯底上的要小,開路電壓差別不大,總體性能良好。 (4)在電池中加入電子傳輸層LiF,最佳膜厚為1.5 nm LiF層的加入可以有效提高器件的開路電壓和填充因子。 (5)通過刻劃的方法制備了電池串聯(lián)的模板,電池的串并聯(lián)能有效的提高器件的開路電壓和短路電流。8個(gè)電池串聯(lián)后可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)有11個(gè)LED燈的燈組,單個(gè)電池電極面積為0.2cm2,整體器件的開路電壓達(dá)到4.35 V,短路電流達(dá)到1.59 mA。 3、新型給、受體材料方面工作 (1)首先對(duì)新型給體材料PCPDTTPD的基本性質(zhì)作了介紹,然后將PCPDTTPD:PCBM體系和P3HT:PCBM體系分別做成電池進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)以二氯苯作為溶濟(jì)時(shí),活性層膜中部分區(qū)域PCBM的結(jié)晶尺寸大且按一定方向進(jìn)行,這種線條狀的大尺寸結(jié)晶不利于太陽能電池性能,尤其在短路電流方面。雖然新型給體材料在開路電壓上有所提高(0.74 V),但總體電池性能不如P3HT體系。 (2)首先對(duì)新型受體材料ICBA的基本性質(zhì)作了介紹,然后將P3HT:ICBA體系和P3HT:PCBM體系分別做成電池進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,ICBA體系電池的開路電壓可以達(dá)到0.77 V,效率可達(dá)到5%,比PCBM體系(0.6 V,4%)的要好,尤其在開路電壓方面。同時(shí),我們也研究了PCBM體系和ICBA體系的電池在退火后活性層表面形貌的影響。 另外,我們用ICBA作為活性層,NiO作為空穴傳輸層,在自制的陽極材料AZO上也可以得到4.46%的效率。 4、靜電紡絲新工藝方面工作 (1)用靜電紡絲的方法制備NiO纖維作為電池的空穴傳輸層,詳細(xì)講解了纖維的制備方法,重點(diǎn)討論了不同前驅(qū)溶液濃度、不同電壓、不同溫度和濕度下纖維的形貌。 (2)用制備的不同形貌的NiO纖維作為電池的空穴傳輸層,著重討論了纖維厚度的變化對(duì)電池性能的影響。 (3)用NiO膜+NiO纖維一起作為電池的空穴傳輸層,著重討論了NiO膜的厚度變化對(duì)電池性能的影響。 (4)用各種形貌NiO纖維作為給體材料。電池的結(jié)構(gòu)為：FTO/MoO3/NiO fiber:PCBM/AI)。點(diǎn)狀及線狀纖維作為給體材料時(shí)對(duì)應(yīng)器件沒有測(cè)出電池性能,多孔狀纖維結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的電池有性能但不是太好,開路電壓為0.13 V,短路電流密度為1.5mA/cm2,效率為0.01%。 【關(guān)鍵詞】：NiO 空穴傳輸層 有機(jī)太陽能電池 靜電紡絲
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要6-9
• Abstract9-14
• 引言14-16
• 第一章 緒論16-34
• 1.1 有機(jī)聚合物太陽能電池簡(jiǎn)介16-24
• 1.1.1 有機(jī)聚合物太陽能電池結(jié)構(gòu)及原理16-19
• 1.1.2 有機(jī)聚合物太陽能電池重要發(fā)展歷史19-20
• 1.1.3 有機(jī)聚合物太陽能電池的制備及表征20-24
• 1.1.3.1 電池的制備過程20-21
• 1.1.3.2 等效電路分析21-23
• 1.1.3.3 伏安特性測(cè)量及設(shè)備23-24
• 1.2 有機(jī)聚合物太陽能電池的材料24-32
• 1.2.1 電極材料24-25
• 1.2.2 傳輸層材料25-26
• 1.2.2.1 空穴傳輸層材料25-26
• 1.2.2.2 電子傳輸層材料26
• 1.2.3 活性層材料26-32
• 1.2.3.1 給體材料26-30
• 1.2.3.2 受體材料30-32
• 1.3 本論文的研究?jī)?nèi)容及其意義32-34
• 第二章 陽極材料的改性34-49
• 2.1 陽極材料AZO的優(yōu)化35-37
• 2.2 新型陽極材料ITAZO的制備37-46
• 2.3 不同電極材料在有機(jī)太陽能電池中的應(yīng)用46-48
• 2.4 本章小結(jié)48-49
• 第三章 以NiO為空穴傳輸層的有機(jī)太陽能電池49-83
• 3.1 p型透明導(dǎo)電NiO膜的優(yōu)化50-58
• 3.2 P3HT:PCBM活性層的優(yōu)化58-67
• 3.2.1 不同活性層厚度對(duì)太陽能電池特性的影響58-59
• 3.2.2 不同退火溫度對(duì)太陽能電池性能的影響59-61
• 3.2.3 不同退火時(shí)間對(duì)太陽能電池特性的影響61-64
• 3.2.4 PCBM不同聚集尺寸的研究64-65
• 3.2.5 活性層中加入添加劑的研究65-67
• 3.3 NiO與PEDOT:PSS的復(fù)合67-68
• 3.4 基于不同陽極材料和NiO HTL的電池性能研究68-72
• 3.5 電子傳輸層LiF對(duì)電池性能的影響72-75
• 3.6 電池規(guī)?；⒙?lián)的研究75-81
• 3.6.1 電池串聯(lián)模板的制作75-76
• 3.6.2 電池的串并聯(lián)測(cè)試76-79
• 3.6.3 有機(jī)太陽能電池串聯(lián)的應(yīng)用79-81
• 3.7 本章小結(jié)81-83
• 第四章 新型給體材料和受體材料在電池中的應(yīng)用83-95
• 4.1 新型給體材料PCPDTTPD在電池中的應(yīng)用83-88
• 4.1.1 PCPDTTPD基本性質(zhì)83-84
• 4.1.2 PCPDTTPD:PCBM體系電池的研究84-88
• 4.2 新型受體材料ICBA在電池中的應(yīng)用88-93
• 4.2.1 ICBA基本性質(zhì)88-90
• 4.2.2 P3HT:ICBA體系電池的研究90-93
• 4.3 本章小結(jié)93-95
• 第五章 靜電紡絲法制備NiO作為空穴傳輸層和給體材料95-114
• 5.1 靜電紡絲法簡(jiǎn)介95-97
• 5.2 靜電紡絲法制備NiO作為空穴傳輸層97-110
• 5.3 靜電紡絲法制備NiO作為給體材料110-112
• 5.4 本章小結(jié)112-114
• 第六章 結(jié)論與展望114-117
• 參考文獻(xiàn)117-134
• 博士期間發(fā)表論文134-136
• 致謝136

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