有机小分子太阳能电池的效率优化及衰减性研究

【摘要】：本论文主要研究了有机小分子太阳能电池的器件结构对电池的光电响应特性及衰减曲线的影响。通过合理设计器件结构或控制薄膜生长方式,可以制备出具有更高光电转换效率或具有更高稳定性的有机小分子太阳能电池。具体研究内容包括： 1、研究了光激活层中体异质结的厚度、体异质结结构的共掺浓度梯度变化以及基片加热技术对基于AlPcCl/C60异质结的有机小分子太阳能电池的光电响应特性的影响。研究发现：①合理控制体异质结的厚度能够优化电池的转换效率。保持光激活层的总厚度不变,当体异质结超过一定厚度的时候,虽然电池对外输出的短路电流能够继续提高,但由于器件内部的串联电阻持续增加,使得电池的填充因子不断减小,并导致器件的转换效率下降。②390K基片温度下生长AlPcCl薄膜能够有效提高基于AlPcCl/C60平面异质结结构的电池外量子效率,通过紫外/可见/红外吸收光谱、XRD衍射分析、AFM表面形貌分析等测试分析,我们认为,器件外量子效率的提高主要源自390K基片温度下生长的AlPcCl薄膜发生结晶且AlPcCl分子呈平行于基片的方向平躺排布,有利于提高器件内部的载流子输运效率；390K基片温度下生长的AlPcCl薄膜表面粗糙度增加,有利于提高光生激子的利用和解离效率。③体异质结结构的共掺浓度梯度变化辅以基片加热技术,电池能够获得更高的功率转换效率。一方面,采用体异质结共掺浓度梯度变化,使得体异质结结构器件在原具有的高激子解离效率的基础上,自由载流子复合的几率被抑制,光生载流子传输平衡性被显著提升；另一方面,体异质结结构制备过程中辅以基片加热技术,异质结薄膜发生结晶且AlPcCl分子呈现规则排布,降低了器件内部的串联电阻及提高了电池的载流子输运。 2、研究了有机小分子太阳能电池的衰减规律。分别研究了采用Mo03阳极缓冲层、采用不同的TCTA给体厚度、以及采用MoO3掺杂α-NPD给体的结构对电池的衰减性能的影响。研究发现：①M003阳极缓冲层的使用,能够极大的抑制持续稳定的光照工作下电池的衰减。紫外/可见/红外吸收光谱、XRD衍射谱、AFM薄膜表面形貌分析等技术表明,M003阳极缓冲层的使用对AlPcCl薄膜的成膜方式及表面形貌没有发生明显的改变,不是导致器件衰减的主要原因；XPS薄膜表面成分分析表明,ITO电极中的氧成分扩散至有机光激活层中,是导致电池衰减的重要原因之一,MoO3阳极缓冲层的使用在一定程度上抑制了ITO电极中的氧向有机层的扩散。热刺激电流分析技术表明,器件内部的载流子聚集也是导致小分子太阳能电池衰减的重要原因之一。②增加TCTA给体的厚度容易降低器件的转换效率,但他同时能提高器件的稳定性。结合前一小节的研究结果,我们推测随着给体厚度的增加,电池的衰减受到抑制的可能原因之一是,ITO中的氧成分向有机光激活层中扩散并对电池产生衰减的作用对于给体/受体接触界面或C60受体内部有重要影响,增加给体的厚度能够降低氧成分向给体/受体接触界面或C60受体内部的扩散速度,从而降低器件的衰减。③在MoO3掺杂α-NPD的结构与受体材料之间再加入一层薄的有机给体层,既能保持器件具有较高的光电转换效率,又能获得更高的器件稳定性。可能的原因之一是MoO3掺杂α-NPD的结构使得薄膜内部产生电荷传输复合物[MoO3-:α-NPD+],有利于提高器件内部的载流子输运效率；同时,M003的应用有效抑制了ITO电极中的氧成分向光激活层中扩散。④此外,我们在试验中还发现,BCP阴极缓冲层的使用会导致器件额外的衰减。 3、研究了基于AlPcCl/C60异质结的多叠层结构有机小分子太阳能电池。我们设计了合理的子电池于子电池之间的中间连接电极BCP/Ag/MoO3的结构,在五叠层结构的电池中,我们获得了3.50V之高的天路电压和2.49%的转换效率,对应的单异质结结构的电池,开路电压和转换效率分别在0.72-0.80V及1.83-2.17%的范围；在十叠层结构的电池中,我们获得了5.89V之高的天路电压。我们采用文献介绍的方法模拟了多叠层结构电池的内部光电场强度分布,并通过理论计算优化了叠层结构电池的内部结构,例如,在三叠层结构电池中,理论计算优化的结果是,器件仅通过微小的给体和受体厚度的改变,就可提高约37%的电流输出。我们期待制备的高开路电压的多叠层电池能在无面积限制且低功耗的光电子器件中得到直接运用。 图62幅,表14个,参考文献267篇。 【关键词】：有机半导体 太阳能电池 光电效应 能量转换效率 叠层结构 寿命 稳定性 激子
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 致谢5-7
• 中文摘要7-9
• Abstract9-11
• 序11-14
• 1 引言14-42
• 1.1 太阳能电池研究背景14
• 1.2 太阳能电池的分类14-19
• 1.2.1 晶体硅太阳能电池15-16
• 1.2.2 多元化合物薄膜太阳能电池16-17
• 1.2.3 新兴的太阳能电池技术17-18
• 1.2.4 太阳能电池研究现状18-19
• 1.3 有机太阳能电池简介19-40
• 1.3.1 有机太阳能电池的工作原理20-23
• 1.3.2 有机太阳能电池的基本参数23-26
• 1.3.3 有机太阳能电池的器件结构26-32
• 1.3.4 有机太阳能电池的材料32-36
• 1.3.5 有机太阳能电池的稳定性36-40
• 1.4 本论文的主要工作40-42
• 2 基于AlPcCl/C_(60)异质结的有机小分子太阳能电池效率优化42-64
• 2.1 引言42
• 2.2 体异质结结构的体异质结厚度对器件性能的影响42-49
• 2.2.1 器件的制备及测试43-44
• 2.2.2 结果与讨论44-49
• 2.3 基片加热对器件性能的影响49-58
• 2.3.1 器件的制备及测试49-50
• 2.3.2 器件的光电响应特性50-56
• 2.3.3 器件的衰减特性56-58
• 2.4 体异质结结构的共掺浓度梯度变化对器件性能的影响58-62
• 2.4.1 器件的制备及测试58-59
• 2.4.2 结果与讨论59-62
• 2.5 本章小结62-64
• 3 有机小分子太阳能电池的衰减性研究64-88
• 3.1 引言64
• 3.2 MoO_3阳极缓冲层对电池衰减性的影响64-74
• 3.2.1 器件的制备及测试方法64-65
• 3.2.2 结果与讨论65-74
• 3.3 TCTA给体厚度对电池衰减性的影响74-81
• 3.3.1 器件的制备及测试方法74-75
• 3.3.2 结果与讨论75-81
• 3.4 MoO_3掺杂对电池衰减性的影响81-86
• 3.4.1 器件的制备及测试方法81-82
• 3.4.2 结果与讨论82-86
• 3.5 本章小节86-88
• 4 多叠层结构的有机小分子太阳能电池研究88-116
• 4.1 引言88-89
• 4.2 器件的制备及测试方法89-90
• 4.3 结果与讨论90-99
• 4.4 多叠层结构电池内部光电场强度分布模拟及器件优化99-114
• 4.4.1 模拟方法99-105
• 4.4.2 模拟结果及分析105-114
• 4.5 本章小结114-116
• 5 结论及展望116-118
• 参考文献118-134
• 作者简历134-137
• 学位论文数据集137

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