有机太阳能电池的理论模拟及旋涂/静电喷雾法制备

【摘要】：随着人类对能源的需求和消耗不断增加，研发清洁、绿色且低成本的新能源具有重要意义。有机太阳能电池（OSC）生产成本低、可制备成柔性和便携式器件，并具有卷对卷生产的潜力，是新能源领域最富发展前景的研究方向之一。为进一步提高OSC器件效率，并促进有机太阳能电池的实用化进程，当前对OSC器件的研究主要集中在四个方面：开发具有宽光谱、高载流子迁移率的活性材料；通过理论模拟优化器件结构；采用电极修饰材料提高电荷传输和收集效率；研究能够制备柔性基底／大面积器件的生产制备方法。本文主要对OSC器件的理论模拟、电极修饰，以及静电喷雾法制备进行了研究。 对OSC器件的光电转换过程建立理论模型进行仿真模拟，将理论仿真结果与器件实验结果相结合，将有助于理解器件工作机理，优化器件结构设计，指导器件实验的方向。理论模拟方面，本文通过理论模型和数值模拟对器件进行分析与设计。首先根据光学模型和电学模型，设计出能够对OSC器件中电磁场分布和器件效率进行仿真计算的软件系统。通过理论模拟对平面异质结有机太阳能电池的结构进行优化设计，从理论上得到了给体、受体和阴极缓冲层的优化厚度，以及器件中光强分布随各层薄膜厚度的变化规律。通过与器件实验结果相比较，分析了基于CuPc/C60的双层异质结OSC器件性能与结构之间的关系。所用的分析方法具有创新性，该方法及所设计的软件系统可应用于具有不同材料、不同结构活性层的OSC器件结构设计和性能仿真，对于OSC器件工作机理的理解和实验结果预测都具有重要意义。 采用旋涂法制备器件活性层，并首次采用Zn4O(AID)6材料作为基于P3HT：PCBM的本体异质结器件的阴极修饰层，实验证明该材料可有效提高器件效率达70％。将实验结果与光学模拟结果相结合，分析了该阴极修饰层能够提高器件效率的原因。结果表明Zn4O(AID)6可用来对OSC器件的阴极进行修饰，同时，理论模拟可作为探究OSC器件工作机理的有效工具。 同旋涂法相比，静电喷雾（ES）法具有工艺过程可控、可实现自组装纳米结构、成本低、材料浪费少等优点，且易于制备大面积和柔性基底的器件，对未来OPV的实用化和产业化具有重大意义。利用静电喷雾法制备有机太阳能电池活性层，并对所用的溶剂体系进行了优化。首次以醋酸作为添加剂，用静电喷雾法制备有机太阳能电池器件中P3HT:PCBM活性层。通过对活性层形貌和器件性能进行表征分析，结果表明以醋酸做为添加剂制备的器件优于其他添加剂，并得到了最佳配比的溶剂体系，制备出器件的效率（2.99±0.08%）与旋涂法制备的器件效率（3.12±0.09%）接近，显著高于在空气中旋涂制备活性层的器件效率（2.44±0.12%）。对ES法制备的器件和旋涂法制备的器件进行了稳定性比较，结果表明ES制备的器件在空气中更加稳定。 系统研究了静电喷雾法的工艺过程对活性层形貌和器件性能的影响。首先推导出了静电喷雾的雾滴蒸发过程的Damkh ler参数显式表达式。然后，通过调节ES过程的流量和基板温度，改变与溶剂挥发速度有关的Damkh ler参数，控制活性层形貌。得到了为形成有利于光伏效应的活性层，Damkh ler参数应满足的条件，以及相应的ES工艺参数。并对ES法制备的活性层厚度进行了优化研究。在溶剂系统和工艺参数优化的条件下，在空气中用ES法制备出的器件效率（3.09±0.11%）与旋涂法在氮气环境制备的器件效率接近。研究结果表明ES法可以取代旋涂法来制备OSC器件，并且可以通过对ES工艺过程参数的调节来有效控制活性层形貌。最后，利用静电喷雾法制备出具有复杂结构活性层的OSC器件，其中具有多层结构活性层的器件效率达3.23±0.08%，具有梯度浓度分布活性层的器件效率达3.39±0.11%。结果表明ES能够方便地制备具有多层分层结构或梯度浓度分布的活性层，形成更有利于电荷的传输和收集的活性层结构，从而提高器件效率。 本论文将理论模拟与器件制备实验相结合，通过研究OSC器件的结构优化、电极修饰和静电喷雾制备方法，在提高器件效率和开发实用化生产制备方法方面得到了创新性的成果，为制备高效率、柔性基底和大面积有机太阳能电池的研究奠定了理论和实验基础。 【关键词】：有机太阳能电池 数值模拟 结构优化 静电喷雾 活性层形貌
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 专用术语注释表13-16
• 第一章 绪论16-33
• 1.1 研究背景16-18
• 1.2 有机太阳能电池发展历史18-19
• 1.3 有机太阳能电池工作机理19-26
• 1.3.1 有机太阳能电池光电转换过程19-22
• 1.3.2 有机太阳能电池器件结构22-25
• 1.3.3 有机太阳能电池器件的性能表征25-26
• 1.4 国内外研究现状综述26-30
• 1.4.1 活性材料27
• 1.4.2 界面修饰与器件结构27-28
• 1.4.3 理论模拟与器件优化设计28-29
• 1.4.4 器件制备与静电喷雾法在有机太阳能电池中的应用29-30
• 1.5 本论文的研究思路与主要工作30-33
• 第二章 材料以及器件制备和测试表征33-47
• 2.1 材料33-36
• 2.1.1 给体材料33-34
• 2.1.2 受体材料34-35
• 2.1.3 界面修饰材料35-36
• 2.2 器件制备36-42
• 2.2.1 基片制备与清洗36-37
• 2.2.2 基片预处理37
• 2.2.3 旋涂37-38
• 2.2.4 静电喷雾38-41
• 2.2.5 真空蒸镀41-42
• 2.3 器件测试与表征42-46
• 2.3.1 电流–电压（J–V）特性测量42-43
• 2.3.2 IPCE 测量43
• 2.3.3 吸收光谱的测量43-44
• 2.3.4 原子力显微镜（AFM）44
• 2.3.5 X 射线衍射（XRD）44-45
• 2.3.6 薄膜厚度的测量45
• 2.3.7 光学显微镜（OM）45-46
• 2.4 本章小结46-47
• 第三章 理论模型及其数值解法47-65
• 3.1 理论模型47-54
• 3.1.1 光学模型47-50
• 3.1.2 电学模型50-54
• 3.2 数值解法54-64
• 3.2.1 方程的离散化54-57
• 3.2.2 泊松方程和扩散–漂移方程求解57-64
• 3.3 本章小结64-65
• 第四章 有机太阳能电池的理论模拟与双层异质结器件的结构优化65-87
• 4.1 研究背景65-66
• 4.2 器件模拟66-73
• 4.2.1 光学模拟66-69
• 4.2.2 电学模拟69-73
• 4.3 双层异质结器件的结构优化73-86
• 4.3.1 器件结构73-74
• 4.3.2 活性材料的光吸收特性及模拟方法74-75
• 4.3.3 实验方法75
• 4.3.4 结果与讨论75-86
• （1）干涉峰值位置75-78
• （2）阴极缓冲层厚度的影响78-81
• （3）电磁场分布81-82
• （4）JSC模拟计算82-84
• （5）实验结果与模拟结果的对比84-86
• 4.4 本章小结86-87
• 第五章 新型阴极缓冲层对体异质结有机太阳能电池性能的影响87-94
• 5.1 研究背景87
• 5.2 实验方法87-88
• 5.3 结果与讨论88-93
• 5.3.1 Zn4O(AID)6层厚度对器件性能的影响88-90
• 5.3.2 能级分析90-91
• 5.3.3 等效电路分析91-92
• 5.3.4 光学模拟92-93
• 5.4 本章小结93-94
• 第六章 静电喷雾法制备有机太阳能电池及溶剂体系的优化与比较94-109
• 6.1 静电喷雾法制备有机薄膜的工艺条件探索94-98
• 6.1.1 溶液导电性94-96
• 6.1.2 溶液浓度96-97
• 6.1.3 喷嘴到基板之间距离97
• 6.1.4 流量97-98
• 6.2 器件制备实验方法98-99
• 6.3 溶剂体系的优化与比较99-107
• 6.3.1 溶剂体系的优化99-101
• 6.3.2 静电喷雾法制备的活性层形貌分析101-103
• 6.3.3 衍射谱和光谱分析103-105
• 6.3.4 静电喷雾法制备的 OSC 器件 J–V 特性105-106
• 6.3.5 静电喷雾法制备的 OSC 器件与旋涂法制备的 OSC 器件稳定性比较106-107
• 6.4 本章小结107-109
• 第七章 静电喷雾参数对活性层形貌和器件性能的影响及相关机理研究109-129
• 7.1 研究背景109-110
• 7.2 实验方法110-111
• 7.3 蒸发过程的 Damkh ler 参数111-112
• 7.4 结果与讨论112-121
• 7.4.1 静电喷雾过程中 Damkh ler 参数的调节112-114
• 7.4.2 Damkh ler 参数对薄膜形貌的影响114-115
• 7.4.3 Damkh ler 参数对薄膜光吸收和微观形貌的影响115-118
• 7.4.4 Damkh ler 参数对器件性能的影响118-121
• 7.4.5 对于 Damkh ler 参数的补充说明121
• 7.5 静电喷雾法制备的活性层厚度对器件性能的影响121-123
• 7.6 静电喷雾法制备复杂结构的活性层及器件性能123-127
• 7.6.1 多层结构的活性层及器件123-126
• 7.6.2 梯度浓度的活性层结构126-127
• 7.7 本章小结127-129
• 第八章 总结与展望129-132
• 8.1 本论文总结129-130
• 8.2 下一步工作展望130-132
• 参考文献132-145
• 附录1 程序清单145-156
• 附录2 攻读博士学位期间撰写的论文156-157
• 附录3 攻读博士学位期间申请的专利157-158
• 附录4 攻读博士学位期间参加的科研项目158-159
• 致谢159

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