光活性层掺杂及新型透明电极在聚合物太阳能电池中的应用研究

【摘要】：聚合物太阳能电池(polymer solar cell, PSC)是一种新型有机薄膜太阳能电池,具有制备工艺简单、成本低廉、重量轻和可制备成柔性器件等诸多优点,近年来受到广泛关注。新型给体／受体光伏材料的合成、光活性层微观结构和形貌的调控、缓冲层的引入和电极材料的开发都是目前聚合物太阳能电池的研究热点,而如何提高电池的能量转换效率(power conversion efficiency, PCE)则是聚合物太阳能电池研究的核心问题。本论文以通过光活性层掺杂提高聚合物太阳能电池PCE以及发展可替代ITO的透明电极为出发点,开展了以下几个方面的工作： (1)首次将Fe3O4磁性纳米粒子掺杂到P3HTPCBM光活性层中提高了体相异质结(BHJ)结构的聚合物太阳能电池的效率。我们发现在1%的最优Fe3O4磁性纳米粒子掺杂浓度下,Fe3O4掺杂后的P3HTPCBM聚合物太阳能电池(O A-Fe3O4P3HTPCBM)的能量转换效率(PCE)相比于未掺杂的器件提高了约18%。我们系统地研究了Fe3O4纳米粒子的磁性对于PCE提高的决定性影响,证明了PCE的提高的确归功于Fe3O4纳米粒子的磁性。实验结果还表明PCE18%的提高主要是由于短路电流(Jsc)提高了约14%,而Jsc的提高是由于Fe304纳米粒子诱导的磁场效应可以增加单线态激子到三线态激子系间窜越率,使三线态激子的数量增大,提高了激子分离效率和电池的光电流。 (2)首次将双亲性的表面活性剂油酸酰胺(Oleamide)掺杂到P3HT:PCBM光活性层中,通过其在成膜过程中的自组装在光活性层与阴极之间形成阴极缓冲层,显著地提高了电池的效率。在2.5%的最优Oleamide掺杂浓度下,P3HTPCBM电池的能量转换效率(PCE)提高了约28%,这一提高主要是填充因子(FF)的贡献(增加约22%)。通过TEM、AFM和SKPM对光活性层的微观结构和表面形貌进行了表征,结果表明油酸酰胺分子掺杂到光活性层后,在后续成膜过程中会迁移到P3HT:PCBM薄膜表面并通过自组装形成阴极缓冲层和界面偶极层,降低了Al电极的功函数,使得Al电极与PCBM之间的能垒变小,有利于电子的抽取。 (3)通过在PEDOTPSS薄膜表面旋涂一层双亲性的表面活性剂甘油单硬脂酸酯(glycerol monostearate, GMS),制备了PEDOTPSS/GMS双层膜作为一种可以替代氧化铟锡(ITO)导电玻璃的新型透明电极。测试表明该透明电极的电导率高达1019S cm-1,方阻为98Ω sq-1；可见光区的透光率大于80%。我们提出了GMS修饰PEDOT:PSS薄膜后电导率提高的作用机理为PEDOT:PSS薄膜中构象发生了改变。当GMS甲醇溶液旋涂在PEDOT:PSS薄膜表面时,由于甲醇的溶胀作用,GMS分子会扩散到PEDOT:PSS薄膜内部并和PEDOT:PSS发生相互作用,导致了PEDOT链与PSS链的相分离,使得PEDOT链重新定向并摆脱了PSS链的缠绕,促进了PEDOT链与链之间的相互作用,因此降低了载流子在链间及相间跳跃时的能垒,有利于载流子在链与链之间的传输,从而大幅提高PEDOTPSS薄膜的电导率。进一步地,我们用PEDOTPSS/GMS双层膜替代ITO作为新型透明阳极制备了非ITO(ITO-free)聚合物太阳能电池,在PTB7:PC70BM体系中PCE达到了7.06%,这一效率与基于ITO的电池的PCE相当,也是目前为止所报道的非ITO聚合物太阳能电池的最高PCE。通过将PEDOTPSS/GMS新型透明阳极应用于不同的给体/受体电池体系,我们发现其具有很好的通用性,展示了它在大面积、高效率非ITO聚合物太阳能电池中的应用前景。 【关键词】：聚合物太阳能电池 能量转换效率 光活性层 掺杂 磁性纳米粒子 表面活性剂 阴极缓冲层 透明电极
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-42
• 1.1 引言12-14
• 1.2 聚合物太阳能电池的原理14-16
• 1.3 聚合物太阳能电池的材料16-26
• 1.3.1 给体光伏材料17-20
• 1.3.2 受体光伏材料20-22
• 1.3.3 缓冲层材料22-25
• 1.3.4 电极材料25-26
• 1.4 聚合物太阳能电池的结构26-30
• 1.4.1 双层异质结26-27
• 1.4.2 体相异质结27-28
• 1.4.3 叠层电池28-30
• 1.4.4 正型/反型电池30
• 1.5 聚合物太阳能电池的制备30-33
• 1.5.1 ITO基片的处理30-31
• 1.5.2 活性层溶液的配制31
• 1.5.3 阳极缓冲层和光活性层的制备31
• 1.5.4 电极的制备31-32
• 1.5.5 热退火处理32-33
• 1.5.6 电池封装33
• 1.6 聚合物太阳能电池的表征33-36
• 1.6.1 等效电路33-34
• 1.6.2 电池参数34-36
• 1.7 本论文的研究思路和主要内容36-38
• 参考文献38-42
• 第二章 通过Fe_3O_4磁性纳米粒子在光活性层中的掺杂提高P3HT：PCBM体相异质结聚合物太阳能电池的性能42-56
• 2.1 引言42-43
• 2.2 实验部分43-45
• 2.2.1 原料与试剂43
• 2.2.2 OA-Fe_3O_4磁性纳米粒子的制备43
• 2.2.3 OA-TiO_2纳米粒子的制备43-44
• 2.2.4 P3HT：PCBM体相异质结聚合物太阳能电池的制备44-45
• 2.2.5 表征及测试45
• 2.3 结果与讨论45-53
• 2.3.1 Fe_3O_4磁性纳米粒子及光活性层的形貌表征45-47
• 2.3.2 OA-Fe_3O_4：P3HT：PCBM体相异质结聚合物太阳能电池的性能47-49
• 2.3.3 OA-Fe_3O_4磁性纳米粒子的作用机理49-51
• 2.3.4 OA-Fe_3O_4磁性纳米粒子对OA-Fe_3O_4：P3HT：PCBM电池J_(sc)的影响51-52
• 2.3.5 OA-Fe_3O_4磁性纳米粒子不同掺杂方式的比较52-53
• 2.4 本章小结53
• 参考文献53-56
• 第三章 油酸酰胺作为自组装阴极缓冲层提高聚合物太阳能电池的性能56-71
• 3.1 引言56-57
• 3.2 实验部分57-59
• 3.2.1 原料与试剂57
• 3.2.2 P3HT：PCBM体相异质结聚合物太阳能电池的制备57-58
• 3.2.3 表征及测试58-59
• 3.3 结果与讨论59-68
• 3.3.1 Oleamide：P3HT：PCBM体相异质结聚合物太阳能电池的性能59-61
• 3.3.2 Oleamide：P3HT：PCBM光活性层的微观结构61-64
• 3.3.3 Oleamide阴极缓冲层提高电池性能的作用机理64-65
• 3.3.4 Oleamide：P3HT：PCBM光活性层的结晶性65-68
• 3.4 本章小结68
• 参考文献68-71
• 第四章 PEDOT：PSS/表面活性剂双层膜透明电极在高效非ITO聚合物太阳能电池中的应用71-92
• 4.1 引言71-72
• 4.2 实验部分72-75
• 4.2.1 原料与试剂72-73
• 4.2.2 PEDOT：PSS薄膜及PEDOT：PSS/GMS双层膜的制备73
• 4.2.3 聚合物太阳能电池的制备73-75
• 4.2.4 表征及测试75
• 4.3 结果与讨论75-87
• 4.3.1 PEDOT：PSS/GMS双层膜的电学和光学性质75-78
• 4.3.2 GMS修饰PEDOT：PSS薄膜后电导率提高的作用机理78-83
• 4.3.3 PEDOT：PSS/GMS双层膜作为透明电极在非ITO聚合物太阳能电池中的应用83-87
• 4.4 本章小结87-88
• 参考文献88-92
• 第五章 总结与展望92-95
• 5.1 全文总结92-93
• 5.2 展望93-95
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果95-97
• 致谢97

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