有機(jī)太陽(yáng)能電池界面過程的研究

【摘要】：有機(jī)太陽(yáng)能電池由于成本低、輕薄柔軟、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn),成為目前研究的熱點(diǎn)。對(duì)界面過程的研究有利于提高有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率。如何通過界面修飾和分析界面過程提高有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率,成為研究者們關(guān)注的焦點(diǎn)。本論文從有機(jī)太陽(yáng)能電池陽(yáng)極與功能層界面的研究、界面電子和激子相互作用、界面激子復(fù)合過程以及對(duì)電極與電解液界面的研究等四個(gè)方面出發(fā),討論了有機(jī)太陽(yáng)能電池的界面過程。本論文主要分為以下幾部分： 第一章綜述簡(jiǎn)要概述了太陽(yáng)能電池研究背景和意義、太陽(yáng)能電池的分類。詳細(xì)介紹了有機(jī)太陽(yáng)能電池研究現(xiàn)狀,主要從有機(jī)太陽(yáng)能電池的材料選擇、結(jié)構(gòu)的研究、緩沖層三個(gè)方面進(jìn)行了論述。指出了目前有機(jī)太陽(yáng)能電池界面過程產(chǎn)生光電流的研究所面臨的挑戰(zhàn),最后介紹了本論文的提綱以及研究目的和創(chuàng)新之處。 第二章有機(jī)太陽(yáng)能電池的制備以及測(cè)量本章主要介紹了本實(shí)驗(yàn)室有機(jī)太陽(yáng)能電池的制備過程以及主要的測(cè)量手段。在制備有機(jī)太陽(yáng)能電池之前需對(duì)基片進(jìn)行清洗及前期處理。器件生長(zhǎng)過程中是在高真空制樣系統(tǒng)中采用分子束外延進(jìn)行的。有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電性能參數(shù)主要用Keithley2400和太陽(yáng)光模擬器來測(cè)量電壓-電流曲線,通過單色儀系統(tǒng)來測(cè)量外量子效率,通過納秒激光器來測(cè)量瞬態(tài)的光電壓和光電流,有機(jī)材料的吸收譜是利用紫外可見分光光度計(jì)來測(cè)量得到的。 第三章有機(jī)太陽(yáng)能電池陽(yáng)極和功能層界面的研究我們?cè)诟哒婵諚l件下制備結(jié)構(gòu)為ITO/NPB/C60/Alq3/Al的單層有機(jī)太陽(yáng)能電池。ITO與C60直接接觸時(shí),C60中的電子和空穴會(huì)退激發(fā)到ITO導(dǎo)帶,會(huì)導(dǎo)致界面復(fù)合,不利于界面激子拆分。當(dāng)在ITO與C60之間加入NPB后,C60中的電子無(wú)法越過NPB的最低未占有軌道(勢(shì)壘)。因此在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下,電子會(huì)被鋁電極收集,而空穴會(huì)有效地被ITO電極收集。我們首次報(bào)道了加入NPB后能有效的抑制界面激子的復(fù)合,從而增加了界面激子拆分效率,使得單層有機(jī)太能電池的光電轉(zhuǎn)化效率提高到了0.414%。 第四章給體／受體界面電子和激子相互作用產(chǎn)生光電流的研究有機(jī)太陽(yáng)能電池中界面激子拆分可以產(chǎn)生光電流,因此在有機(jī)太陽(yáng)能電池中界面激子和自由載流子是共存的。傳統(tǒng)有機(jī)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)是：ITO/CuPc/C60/Alq3/Al,一般認(rèn)為其光電流產(chǎn)生來源于界面激子拆分。然而我們發(fā)現(xiàn)了界面電子和激子的相互作用也可以產(chǎn)生光電流。我們?cè)O(shè)計(jì)并制備了結(jié)構(gòu)為ITO/CuPc/C60/MoO3/Al的有機(jī)太陽(yáng)能電池的器件,通過對(duì)能級(jí)圖的分析得出到達(dá)CuPc和C60的界面的電子與CuPc中的激子相互作用產(chǎn)生了光電流。當(dāng)加入550納米的長(zhǎng)波通濾光片之后,與傳統(tǒng)的器件相比其電流幾乎為0,說明了存在著位移電流,而位移電流的產(chǎn)生來源于CuPc和C60界面激子的拆分。通過分析I-V曲線,瞬態(tài)電壓和EQE等得到了ITO/CuPc/C60/MoO3/Al器件光電流的產(chǎn)生不同于傳統(tǒng)有機(jī)電池的結(jié)論,它的光電流來源于電子-激子的相互作用。我們首次在有機(jī)太陽(yáng)能電池中發(fā)現(xiàn)了電子-激子的相互作用可以產(chǎn)生光電流。 第五章在N-N型有機(jī)太陽(yáng)能電池中界面激子復(fù)合的研究通常認(rèn)為在有機(jī)太陽(yáng)能電池中界面激子拆分是有利的,而界面激子復(fù)合對(duì)光電轉(zhuǎn)化效率的提高是不利的。因此有效調(diào)控界面激子的拆分和復(fù)合對(duì)提高有機(jī)太陽(yáng)能電池的效率起到關(guān)鍵作用。我們制備了結(jié)構(gòu)為F16ZnPc/C60的有機(jī)太陽(yáng)能電池,通過改變內(nèi)建電場(chǎng)的方向,有效調(diào)控了界面激子的拆分和復(fù)合。通過光照強(qiáng)度與電功率的線性關(guān)系驗(yàn)證了激子在F16ZnPc/C60界面存在激子的復(fù)合作用,而且激子的復(fù)合也可以產(chǎn)生光電流。說明在有機(jī)太陽(yáng)能電池中激子的拆分和復(fù)合是同時(shí)存在的。我們發(fā)現(xiàn)了在由兩種N型材料(F16ZnPc和C60)構(gòu)成的有機(jī)太陽(yáng)能電池中,可以通過內(nèi)建電場(chǎng)來調(diào)節(jié)激子的拆分和復(fù)合幾率。 第六章石墨烯量子點(diǎn)摻雜聚吡咯對(duì)在電解液界面處催化性能提高的研究我們通過電化學(xué)沉積制備了石墨烯量子點(diǎn)摻雜聚吡咯并用作染料敏化太陽(yáng)能電池的對(duì)電極。通過分析SEM圖可以看出石墨烯量子點(diǎn)摻雜聚吡咯有多孔結(jié)構(gòu),與未摻雜樣品相比其催化面積大大增加。通過分析循環(huán)伏安法和阻抗曲線得出在對(duì)電極與電解液界面處電荷的傳輸率有效提高了,催化性能也被大幅提高。其中10%石墨烯量子點(diǎn)摻雜聚吡咯是最優(yōu)化的,使得染料敏化太陽(yáng)能電池的效率達(dá)到了5.27%,比不摻雜的聚吡咯做對(duì)電極的電池的性能提高了20%,與Pt對(duì)電極電池的6.02%效率相當(dāng)。石墨烯量子點(diǎn)摻雜聚吡咯是一種潛在的替代貴金屬鉑對(duì)電極的材料。 【關(guān)鍵詞】：有機(jī)太陽(yáng)能電池 染料敏化太陽(yáng)能電池 界面過程 激子拆分 激子復(fù)合 電子-激子相互作用
【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 目錄4-7
• 摘要7-10
• Abstract10-13
• 第一章 綜述13-41
• 1.1 太陽(yáng)能電池概述13-14
• 1.2 太陽(yáng)能電池的分類14-25
• 1.2.1 硅太陽(yáng)能電池14-18
• 1.2.2 無(wú)機(jī)化合物薄膜太陽(yáng)能電池18-20
• 1.2.3 有機(jī)太陽(yáng)能電池20-25
• 1.3 有機(jī)太陽(yáng)能電池的研究進(jìn)展25-33
• 1.3.1 有機(jī)半導(dǎo)體材料的研究26-29
• 1.3.2 有機(jī)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)29-33
• 1.4 有機(jī)太陽(yáng)能電池界面修飾33-35
• 1.5 有機(jī)太陽(yáng)能電界面過程研究的目的及意義35-36
• 1.6 本論文的研究?jī)?nèi)容36-38
• 1.7 本論文的創(chuàng)新點(diǎn)38-41
• 第二章 有機(jī)太陽(yáng)能電池的制備及測(cè)量41-53
• 2.1 有機(jī)太陽(yáng)能電池的制備41-47
• 2.1.1 基片的清洗及前期處理41-43
• 2.1.2 有機(jī)分子束外延生長(zhǎng)活性層43-44
• 2.1.3 真空系統(tǒng)44-45
• 2.1.4 有機(jī)層和金屬陰極的生長(zhǎng)45-46
• 2.1.5 原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)46-47
• 2.2 有機(jī)太陽(yáng)能電池光電性能等參數(shù)的測(cè)量47-53
• 2.2.1 I-V曲線測(cè)量系統(tǒng)47-48
• 2.2.2 量子效率測(cè)量系統(tǒng)48-50
• 2.2.3 納秒瞬態(tài)光電壓及光電流測(cè)量50
• 2.2.4 紫外-可見光吸收譜測(cè)量50-53
• 第三章 有機(jī)太陽(yáng)能電池陽(yáng)極和功能層界面的研究53-61
• 3.1 引言53-54
• 3.2 實(shí)驗(yàn)過程54-55
• 3.3 結(jié)果與討論55-59
• 3.3.1 在ITO/C_(60)界面加入NPB對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池性能的影響55-57
• 3.3.2 NPB在有機(jī)太陽(yáng)能電池中的作用57-59
• 3.4 本章小結(jié)59-61
• 第四章 給體/受體界面電子和激子相互作用產(chǎn)生光電流的研究61-71
• 4.1 引言61-62
• 4.2 實(shí)驗(yàn)62
• 4.3 結(jié)果與討論62-70
• 4.3.1 基于CuPc/C_(60)雙層結(jié)構(gòu)有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電特性62-67
• 4.3.2 激子在CuPc/C_(60)界面過程對(duì)光電流的影響67-70
• 4.4 本章小結(jié)70-71
• 第五章 在N-N型有機(jī)太陽(yáng)能電池中界面激子復(fù)合的研究71-79
• 5.1 引言71-72
• 5.2 實(shí)驗(yàn)72
• 5.3 結(jié)果與討論72-78
• 5.3.1 N-N型有機(jī)太陽(yáng)能電池的界面激子過程對(duì)器件性能的影響72-76
• 5.3.2 界面激子拆分和復(fù)合共存76-78
• 5.4 本章小結(jié)78-79
• 第六章 石墨烯量子點(diǎn)摻雜聚吡咯對(duì)在電解液界面處催化性能提高的研究79-87
• 6.1 引言79-80
• 6.2 實(shí)驗(yàn)80-81
• 6.3 結(jié)果與討論81-86
• 6.3.1 石墨烯量子點(diǎn)摻雜聚吡咯的對(duì)電極界面表征81-85
• 6.3.2 對(duì)電極界面對(duì)染料敏化太陽(yáng)能性能的影響85-86
• 6.4 本章小結(jié)86-87
• 結(jié)論與展望87-89
• 參考文獻(xiàn)89-109
• 攻讀博士學(xué)位期間的科研情況109-113
• 致謝113-114

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