石墨烯材料的功能化及其在聚合物太阳能电池中的应用

【摘要】：将太阳能直接转换为电能的光伏技术是解决当今世界日益严重的能源问题和环境问题的一个重要举措。聚合物太阳能电池具有成本低廉、加工性能好、可得到超薄质轻的大面积柔性器件等优点,因而备受人们关注。近年来聚合物太阳能电池的效率不断提升,目前最高光电转换效率已超过8%,非常接近10%的实用化目标。然而聚合物太阳能电池普遍存在寿命短的问题,限制了它在实际中的应用。在聚合物太阳能电池中,活性层与电极的界面接触对器件性能和寿命有着非常重要的影响。因此开发新型低成本可溶液加工的电极界面修饰材料,对于聚合物太阳能电池的实用化无疑具有非常重要的意义。 作为世界上最薄的二维材料,石墨烯材料表现出许多独特的光学、电学和力学性质,这些性质使得它在聚合物太阳能电池的电极界面修饰领域有着非常强大的应用潜力。本论文成功合成了氧化石墨烯及其长烷基链修饰的石墨烯衍生物,发现氧化石墨烯能够掺杂共轭聚合物表面并对掺杂机理进行了深入研究,设计了分别适用于反型结构和正装结构聚合物太阳能电池的氧化石墨烯基阳极界面修饰层,进一步降低了器件的成本,提高了器件的长期稳定性。另外,石墨烯材料独特的柔性平面结构还启发我们将其作为构筑单元,构筑一维碳纳米卷材料。 论文第一章综述了聚合物太阳能电池的原理和器件结构,聚合物太阳能电池的研究进展,以及石墨烯材料在聚合物太阳能电池中的应用。 论文第二章研究了氧化石墨烯对共轭聚合物的表面掺杂现象。研究表明氧化石墨烯片层含有大量的酸性官能团,这些酸性基团使得氧化石墨烯能够掺杂典型的共轭聚合物P3HT表面。掺杂前P3HT薄膜表现出典型的p型半导体行为,而经氧化石墨烯表面掺杂后,薄膜导电性高达3.70S m-1,比未掺杂的P3HT提高了6个数量级,表现出类金属的传输特性。在其他一些窄带隙共轭聚合物中同样观察到了这种掺杂现象。 论文第三章将氧化石墨烯用于反型聚合物太阳能电池的阳极界面修饰。我们发现,氧化石墨烯(-2-3nm)能够促使P3HT:PCBM活性层与金属阳极间形成欧姆接触,使得电池性能达到甚至超过基于PEDOT:PSS的对比器件。基于氧化石墨烯阳极修饰层的反型电池表现出优异的环境稳定性,未经封装的器件在干燥空气中放置10天以上,电池仍能保持80%的原有效率。 论文第四章将有机交联空穴传输材料/氧化石墨烯双层复合结构用于正装结构聚合物太阳能电池的阳极界面修饰。研究发现,与氧化石墨烯单层膜相比,双层复合膜对电子的阻挡能力得到提高,从而使得PTPTBT:PC71BM电池效率从3.5%提高到了4.1%。AFM形貌研究表明活性层在交联空穴传输材料／氧化石墨烯双层复合膜上能够形成更为均匀的形貌。 论文第五章通过环氧基的开环反应制备了长烷基链接枝的石墨烯衍生物ODA-GO。并以之为基本构筑单元,通过Langmuir-Blodaett压缩构筑了一维碳纳米卷(CNSs)结构,同时发现在压缩过程中CNSs形成了非常有趣的疏-密图案。此外,我们还通过溶剂诱导的方式将CNSs发生了解卷曲。 【关键词】：聚合物太阳能电池 石墨烯 界面工程 反型结构 正装结构 表面掺杂 构筑单元 碳纳米卷
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 致谢5-7
• 摘要7-9
• Abstract9-12
• 目录12-16
• 1 绪论16-55
• 1.0 引言16-17
• 1.1 聚合物太阳能电池的原理和结构17-21
• 1.1.1 聚合物太阳能电池的工作原理17-19
• 1.1.2 聚合物太阳能电池的器件结构19-21
• 1.2 聚合物太阳能电池的研究进展21-42
• 1.2.1 材料设计22-28
• 1.2.1.1 给体材料22-25
• 1.2.1.2 受体材料25-28
• 1.2.2 形貌优化28-30
• 1.2.2.1 热退火28-29
• 1.2.2.2 溶剂退火29
• 1.2.2.3 添加剂29-30
• 1.2.3 电极界面工程30-38
• 1.2.3.1 阴极界面修饰31-36
• 1.2.3.2 阳极界面修饰36-38
• 1.2.4 器件设计38-42
• 1.3 石墨烯材料在聚合物太阳能电池中的应用42-53
• 1.3.1 石墨烯材料的制备43-49
• 1.3.1.1 无/低缺陷石墨烯的制备43-46
• 1.3.1.2 石墨烯化学衍生物的制备46-49
• 1.3.2 石墨烯材料在聚合物太阳能电池中的应用49-53
• 1.3.2.1 透明导电电极49-51
• 1.3.2.2 受体材料51-52
• 1.3.2.3 界面修饰层52-53
• 1.4 课题的提出及意义53-55
• 2 氧化石墨烯对共轭聚合物的表面掺杂机理研究55-72
• 2.1 引言55-56
• 2.2 氧化石墨烯的制备及表征56-62
• 2.2.1 化学氧化法制备氧化石墨烯56-57
• 2.2.1.1 实验原料与表征仪器57
• 2.2.1.2 一步法合成氧化石墨烯57
• 2.2.2 氧化石墨烯的表征57-60
• 2.2.3 氧化石墨烯的质子密度、pk_a的半定量计算60-62
• 2.3 氧化石墨烯对共轭聚合物的表面掺杂现象及机理研究62-71
• 2.3.1 紫外-可见-近红外吸收光谱研究62-68
• 2.3.1.1 P3HT/GO双层薄膜的制备62-63
• 2.3.1.2 紫外-可见-近红外吸收光谱研究63-68
• 2.3.2 薄膜场效应晶体管性能研究68-71
• 2.3.2.1 薄膜场效应晶体管的制备及测试68-69
• 2.3.2.2 薄膜场效应晶体管的性能研究69-71
• 2.4 本章小结71-72
• 3 氧化石墨烯在反型聚合物太阳能电池阳极修饰领域的应用研究72-86
• 3.1 引言72-73
• 3.2 实验部分73-75
• 3.2.1 材料与试剂73-74
• 3.2.2 反型聚合物太阳能电池的制备74
• 3.2.3 光伏性能测试74-75
• 3.3 结果与讨论75-85
• 3.3.1 阳极修饰层对器件性能的影响75-78
• 3.3.2 电池有效面积的确定方法对器件性能的影响78-80
• 3.3.3 氧化石墨烯厚度对器件性能的影响80-81
• 3.3.4 阳极功函数对器件性能的影响81-83
• 3.3.5 器件稳定性研究83-85
• 3.4 本章小结85-86
• 4 交联空穴传输材料/氧化石墨烯双层复合膜在正装结构聚合物太阳能电池阳极界面修饰领域的应用研究86-101
• 4.1 引言86-88
• 4.2 实验部分88-90
• 4.2.1 实验材料与表征方法88
• 4.2.2 薄膜场效应晶体管的制备及测试88
• 4.2.3 正装结构聚合物太阳能电池的制备及测试88-90
• 4.3 结果与讨论90-100
• 4.3.1 交联BTBTPA/氧化石墨烯双层复合膜的形貌表征90-91
• 4.3.2 交联BTBTPA/氧化石墨烯双层复合膜的光学性能研究91-93
• 4.3.3 交联BTBTPA/氧化石墨烯双层复合膜的场效应晶体管性能研究93-95
• 4.3.4 基于交联BTBTPA/氧化石墨烯复合膜的正装聚合物太阳能电池的性能研究95-99
• 4.3.5 阳极修饰层对本体异质结形貌的影响99-100
• 4.4 本章小结100-101
• 5 油溶性石墨烯衍生物的制备及碳纳米卷的高效构筑101-119
• 5.1 引言101-102
• 5.2 油溶性石墨烯衍生物的制备及表征102-106
• 5.2.1 烷基链接枝法制备油溶性石墨烯衍生物102-104
• 5.2.1.1 实验原料与表征仪器102-103
• 5.2.1.2 两步法合成氧化石墨烯103-104
• 5.2.1.3 油溶性石墨烯衍生物ODA-GO的合成步骤104
• 5.2.2 油溶性石墨烯衍生物ODA-GO的表征104-106
• 5.3 Langmuir-Blodgett法高效构筑碳纳米卷及其性能研究106-118
• 5.3.0 Langmuir-Blodgett技术的原理106-108
• 5.3.1 油溶性石墨烯衍生物的Langmuir-Blodgett压缩108-112
• 5.3.1.1 溶液配制及在水面上的铺展108
• 5.3.1.2 Langmuir-Blodgett压缩过程108-112
• 5.3.2 油溶性石墨烯衍生物的卷曲机理研究112-114
• 5.3.3 碳纳米卷的表征及性能研究114-118
• 5.3.3.1 碳纳米卷的拉曼光谱表征114-115
• 5.3.3.2 碳纳米卷束的电学性能研究115-116
• 5.3.3.3 碳纳米卷的溶剂诱导解卷曲116-118
• 5.4 本章小结118-119
• 6. 主要结论及创新点119-122
• 6.1 主要结论119-121
• 6.2 创新点121-122
• 参考文献122-145
• 作者简历145
• 攻读博士学位期间取得的科研成果145-147

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