聚合物太阳能电池性能研究及压印器件的工艺探索

【摘要】：聚合物太阳能电池共混活性层中存在尺度从纳米到微米级别的相分离,对激子的分离效率和电荷的传输极其不利。理想穿插网络结构活性层在很大程度上克服了共混结构存在的诸多问题,已逐渐成为这一领域的研究热点,吸引了大量的国内外研究。纳米压印技术是控制活性层纳米形貌,制备双层穿插理想结构的一种简单易行的方法。此技术不仅可以通过改变纳米结构模版的尺寸调控界面接触面积,而且压印诱导的聚合物分子取向变化可有效改善空穴迁移率。双压印技术制备双层穿插结构活性层已取得了不错的研究成果,但同时也存在不足的地方需要进一步改进。本文以构建高性能的穿插网络结构聚合物太阳能电池为最终目的展开一系列工作,主要内容包括： (1)纳米压印工艺通常是在空气中进行,为构建高性能的双层穿插结构聚合物太阳能电池,应尽量避免使用对空气敏感以及对器件稳定性不利的材料。因此本文首先基于共混原型器件对界面和结构进行了优化。采用新型共轭聚电解质取代低功函金属,成功应用到聚合物太阳能电池的阴极界面。通过考察界面层厚度、结构对器件光伏性能的影响,得出具有PEO衍生侧链和阴离子基团的PFEOSO3Na可获得最佳的器件性能。以PFEOSO3Na为例,研究了热退火顺序对界面层形貌和光伏性能的影响,结果表明亲水电解质和疏水活性层之间的不相容性使得界面层形貌具有较大的退火依赖性,从而导致器件性能的差异。将PFEOSO3Na应用于窄带隙活性层体系,初步证实了它的普适性。 (2)此外,为避免酸性PEDOT:PSS空穴传输层对ITO表面的腐蚀和对器件寿命的影响,本文也以超薄铝膜修饰的AZO导电玻璃为底电极成功制备了新型的反式结构器件。通过AZO和AZO/Al前处理以及超薄铝膜厚度的优化,器件效率可达到3.84%。表面电势表征证明超薄铝膜可以大大降低AZO的功函。基于活性层P3HT:ICBA对不同结构器件进行比较,结果显示此复合电极制备的反式器件可获得与ITO传统结构媲美的器件性能,进一步证实了其广阔的应用前景。 (3)理想双层穿插结构聚合物太阳能电池是在双层平板结构基础上的改进,因此很有必要先对双层平板参比器件进行优化。基于P3HT/PCBM活性层对双层平板器件进行了性能优化。通过调节受体PCBM厚度,退火温度以及给体P3HT厚度,最终双层平板器件的能量转换效率可达到2.7%。在P3HT中加入甲醇,研究了其对空穴迁移率和双层器件性能的影响。 (4)利用微纳加工工艺探索并优化了纳米压印模版的制备工艺。通过对曝光剂量、刻蚀工艺等的优化,采用直接法和金属转移法均实现了大面积、超精细的小尺寸图形阵列,图形的最小直径可达到20nm,周期为50nm,这在国内处于领先水平。优化的工艺对以后小尺寸微纳结构的制备具有一定指导意义。 (5)采用双压印技术制备双层穿插结构活性层的前提是构建出给体(或受体)的纳米结构阵列。首先对模版表面氟化处理,以改善其表面防粘性。为避免硅基模版在压印过程中的污染和损坏,本文采用ormostamp对模版进行了复制,通过工艺优化获得高度均匀规整的硬膜板结构,并基于热压印技术对压印温度和压力进行优化,最终实现了周期100nm,线宽或直径50nm的P3HT、PCBM和ICBA的结构阵列。 【关键词】：聚合物太阳能电池 界面层 AZO 超薄铝膜 双层器件 电子束曝光ormostamp 纳米压印
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 1 绪论12-39
• 1.1 引言12-13
• 1.2 聚合物太阳能电池简介13-16
• 1.2.1 聚合物太阳能电池的基本原理13-14
• 1.2.2 聚合物太阳能电池的基本结构14-15
• 1.2.3 聚合物太阳能电池的性能表征15-16
• 1.3 聚合物太阳能电池的发展历程16-18
• 1.4 改善聚合物太阳能电池器件性能的方法18-29
• 1.4.1 改善光的吸收19-20
• 1.4.2 活性层形貌的控制20-25
• 1.4.3 界面修饰25-29
• 1.5 纳米压印在聚合物太阳能电池中的应用简介29-37
• 1.5.1 纳米压印简介29-30
• 1.5.2 纳米压印双层器件30-33
• 1.5.3 共混型压印器件33-34
• 1.5.4 图案化电极34
• 1.5.5 纳米压印对D/A界面和分子取向的影响34-37
• 1.6 本论文的设计思想与主要内容37-39
• 2 共混型太阳能电池的阴极界面和器件结构研究39-65
• 2.1 共轭聚电解质作为阴极界面层的聚合物太阳能电池39-51
• 2.1.1 引言39-40
• 2.1.2 实验部分40-42
• 2.1.3 结果与讨论42-51
• 2.2 超薄铝膜修饰的AZO为底电极的反式结构聚合物太阳能电池51-63
• 2.2.1 引言51-52
• 2.2.2 实验部分52-53
• 2.2.3 结果与讨论53-63
• 2.3 本章小结63-65
• 3 双层平板太阳能电池的性能研究65-78
• 3.1 引言65
• 3.2 实验部分65-67
• 3.2.1 实验所用材料与试剂65-66
• 3.2.2 器件制备流程66
• 3.2.3 器件表征66-67
• 3.3 双层器件结果与讨论67-77
• 3.3.1 PCBM厚度对双层器件光伏性能的影响67-68
• 3.3.2 退火温度对双层器件光伏性能和表面形貌的影响68-71
• 3.3.3 P3HT厚度对双层器件光伏性能的影响71-73
• 3.3.4 甲醇添加剂对双层器件性能的影响73-77
• 3.4 本章小结77-78
• 4 纳米压印模版的制备工艺探索78-96
• 4.1 引言78-79
• 4.2 实验部分79-81
• 4.2.1 实验所用材料及设备79
• 4.2.2 模版制备流程79-81
• 4.3 直接法制备模版的工艺探索81-86
• 4.3.1 电子束曝光剂量对图形横向尺寸的影响81-83
• 4.3.2 ICP 刻蚀条件对图形纵向尺寸的影响83-85
• 4.3.3 图案化的HSQ直接作为模版85-86
• 4.4 金属化转移法制备模版的工艺探索86-95
• 4.4.1 光阑孔径对图形尺寸的影响86-88
• 4.4.2 电子束曝光剂量对图形尺寸的影响88-91
• 4.4.3 剥离工艺溶剂的选择91-93
• 4.4.4 反应离子刻蚀对图形纵向尺寸的影响93-94
• 4.4.5 最终制备的硅基模版阵列结构94-95
• 4.5 本章小结95-96
• 5 纳米压印给体和受体阵列的工艺探索96-111
• 5.1 引言96-97
• 5.2 纳米压印工艺所用材料及设备97
• 5.3 纳米压印工艺过程及结果讨论97-109
• 5.3.1 模版表面的防粘处理97-100
• 5.3.2 ormostamp模版复制100-103
• 5.3.3 给体P3HT的压印工艺及优化103-108
• 5.3.4 受体材料的压印工艺及优化108-109
• 5.4 本章小结109-111
• 6 总结与展望111-114
• 致谢114-115
• 参考文献115-130
• 攻读博士学位期间发表论文130

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