无ITO倒置聚合物太阳能电池制备与优化的研究

【摘要】：聚合物太阳能电池在近20年得到了广泛的关注和深入的研究,转化效率已经突破10%的大关。相比于传统的硅基太阳能电池,它拥有低成本、柔性、质量轻等独有特质。如今该领域的研究重点主要是：优化器件结构、制备高性能材料、理解物理机理以及增强光学吸收等。本文的工作旨在充分实现聚合物太阳能电池的这些优势,为器件制备技术的产业化打下基础。在器件制备中,铟锡氧化物(ITO)透明电极在聚合物太阳能电池中有广泛应用,但是它在地球的储量有限,成本高,且弯曲柔性有限。因此,为了解决这一问题,本文工作主要围绕无ITO倒置型聚合物太阳能电池的制备以及优化而展开。首先,基于光学传输矩阵方法,我们为无ITO倒置型聚合物太阳能电池建立了相关光学薄膜模型,对其光学特性进行分析和优化。主要研究了器件中的金属反射电极反射率对器件性能的影响、半透明器件的光学特性以及电子传输层光学厚度对器件吸收性能的影响。该方法对实际的器件制备具有一定的理论指导作用,并能对器件部分物理现象做出理论解释。基于该理论模拟,本工作还对结构为基板／铝电极／氧化钛／功能层／透明电极的无ITO倒置型聚合物太阳能电池进行了实例的制备和工艺优化,并进一步研究了器件的工作稳定性和使用寿命,创新性的提出了使用原子层沉积技术沉积氧化铝薄膜作为电池的封装层,以提高器件的寿命,工作中结合光学模拟,优化了器件结构参数。实验证明了原子层沉积的氧化铝薄膜具有卓越的水氧阻隔能力,能够有效的延长了器件的使用寿命,促进了商业化应用。为了促进实现电池的规模化生产,避免真空制备环境,兼容卷对卷制备工艺,全溶液法器件制备工艺是目前重要的研究方向。基于倒置型器件结构的研究基础,我们进而研究了全溶液法的低成本印刷铜电极制备,用以取代传统的蒸镀金属电极。本工作全面研究了印刷铜电极的形貌、成分、导电性以及抗机械弯曲特性。研究表明该电极在导电性和平整性上接近蒸镀铜电极,并在弯曲特性上有大幅度的提高,通过1000次快速弯曲测试,导电性仍能够保持稳定。而且基于该电极的器件性能达到了同领域的领先水平,转化效率达到了2.77%,同时在弯曲特性上远远优于基于蒸镀铜电极的参比器件。另一方面,通过简易、低成本的光学方法提升聚合物太阳能电池的转化效率是本文聚合物太阳能电池中着重于光学问题的一个主要研究工作。工作从三方面展开：(1)内嵌一维光栅的聚合物太阳能电池,(2)金属二维光栅电极的无ITO倒置型聚合物太阳能电池,(3)锥形的无ITO倒置型聚合物太阳能电池。该工作一方面通过简单的摩擦方法在电池的空穴传输层内形成一维光栅结构以及全溶液法制备金属铜光栅电极,实现了器件吸收的增强以及载流子迁移率的提升；另一方面充分利用了无ITO倒置型聚合物太阳能电池柔性,能在弯曲条件下工作的优势,将器件制备成锥形的结构,使得光线能在锥形内部多次反射,反复被吸收,大幅度地提高了光能的利用率以及电池的性能。 【关键词】：无ITO倒置型聚合物太阳能电池 商业化应用 传输矩阵方法 全溶液法制备 印刷金属电极 微纳光栅金属电极 锥形结构器件
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 致谢5-7
• 摘要7-9
• Abstract9-18
• 第1章 绪论18-42
• 1.1 聚合物太阳能电池概述19-35
• 1.1.1 聚合物太阳能电池的发展历程19-22
• 1.1.2 聚合物太阳能电池的光伏原理22-24
• 1.1.3 聚合物太阳能电池的性能表征24-31
• 1.1.4 聚合物太阳能电池的光学优化31-32
• 1.1.5 聚合物太阳能电池的产业化优势32-35
• 1.2 本文主要研究内容和创新意义35-38
• 1.2.1 主要研究内容35-37
• 1.2.2 主要创新意义37-38
• 1.3 参考文献38-42
• 第2章 聚合物太阳能电池光学模型42-61
• 2.1 引言42
• 2.2 传输矩阵方法42-49
• 2.3 器件模型建立与优化49-58
• 2.3.1 无ITO倒置型器件电极反射率的影响49-52
• 2.3.2 半透明无ITO倒置型器件52-55
• 2.3.3 无ITO倒置型器件ETL厚度的影响55-58
• 2.4 本章小结58
• 2.5 参考文献58-61
• 第3章 无ITO倒置型聚合物太阳能电池制备和封装61-80
• 3.1 引言61-62
• 3.2 无ITO倒置型聚合物太阳能电池的制备62-68
• 3.2.1 实验材料62-63
• 3.2.2 制备流程63-67
• 3.2.3 性能测试与分析67-68
• 3.3 无ITO倒置型聚合物太阳能电池薄膜封装68-76
• 3.3.1 原子层沉积封装技术68-71
• 3.3.2 光学优化71-73
• 3.3.3 稳定性测试与分析73-76
• 3.4 本章小结76-77
• 3.5 参考文献77-80
• 第4章 全溶液法无ITO倒置型聚合物太阳能电池80-105
• 4.1 引言80-81
• 4.2 印刷铜电极的制备81-90
• 4.2.1 实验材料81-82
• 4.2.2 制备流程82-85
• 4.2.3 薄膜表征与分析85-90
• 4.3 太阳能电池的制备90-99
• 4.3.1 实验材料90-92
• 4.3.2 制备流程92-94
• 4.3.3 性能测试与分析94-99
• 4.4 本章小结99-100
• 4.5 参考文献100-105
• 第5章 光学结构在聚合物太阳能电池中应用105-130
• 5.1 引言105-106
• 5.2 内嵌一维光栅的聚合物太阳能电池106-113
• 5.2.1 实验材料106
• 5.2.2 制备流程106-108
• 5.2.3 性能测试与分析108-112
• 5.2.4 小结112-113
• 5.3 金属二维光栅电极的无ITO倒置型聚合物太阳能电池113-121
• 5.3.1 实验材料113
• 5.3.2 制备流程113-114
• 5.3.3 性能测试与分析114-121
• 5.3.4 小结121
• 5.4 锥形的无ITO倒置型聚合物太阳能电池121-126
• 5.4.1 实验材料121-122
• 5.4.2 制备流程122-123
• 5.4.3 性能测试与分析123-126
• 5.4.4 小结126
• 5.5 本章小结126-127
• 5.6 参考文献127-130
• 第6章 总结与展望130-134
• 6.1 工作总结130
• 6.2 工作展望130-132
• 6.3 参考文献132-134
• 攻读博士学位期间主要的研究成果134-136
• 个人简历136

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