P3HT:PCBM聚合物太阳能电池活性层的微观形貌及相关性能的研究

【摘要】：聚合物太阳能电池活性层的微观形貌在很大程度上依赖于制备工艺条件。本文采用旋涂法制备了聚3-已基噻吩(P3HT)和富勒烯衍生物[6.6]-苯基-C60-丁酸甲酯(PCBM)的共混薄膜。通过调控共混薄膜中给受体的质量比、旋涂时间及退火温度,研究了共混薄膜中受体含量及溶剂退火结合退火的双重优化对活性层微观形貌、结晶和光吸收性能的影响。利用紫外-可见光(UV-ViS)吸收光谱、原子力显微镜(AFM轻敲模式)和X射线衍射光谱(XRD)等测试手段对P3HT:PCBM共混薄膜的微观形貌、结晶和光吸收性能进行了表征。首先,以给体P3HT和受体PCBM为主要原料、邻二氯苯(C6H4Cl2)为有机溶剂,采用旋转涂膜工艺在ITO导电玻璃表面上制备均匀的共混薄膜。在旋涂薄膜转速为1000 r·min-1、旋涂时间为30 s、溶剂退火时间30 min、退火温度150℃及退火时间20 min条件下,制备出不同给受体质量比的P3HT:PCBM共混薄膜。实验发现,共混薄膜中给体P3HT和受体PCBM的比例为1:1时的活性层微观形貌、结晶及光吸收性能最佳。此比例的给受体界面较多,分布较均匀且很少出现聚集现象,表面粗糙度为11.7 nm;通过X射线衍射发现半峰宽0.41°,在所有比例中最小;紫外-可见光吸收谱表明因P3HT聚集而产生的吸收峰最强,吸收光较多;其次,选取P3HT:PCBM共混薄膜的质量比为(1:0.8)、旋涂薄膜转速为1000 r·min-1、退火时间定为20 min,通过对旋涂时间选取在20-90 s(溶剂退火时间)之间以及退火温度选取在120-180℃之间进行调控,寻找对P3HT:PCBM共混薄膜活性层微观形貌、结晶及光吸收性能的最佳条件。实验发现,旋涂时间为30 s时所制备的共混薄膜微观形貌、结晶及光吸收性能最佳,其表面粗糙度为8.52 nm;在此优化的基础上进一步进行退火处理,当退火温度为150℃时,其表面粗糙度为10.3 nm;P3HT:PCBM共混薄膜的微结构及光吸收性能也将得到进一步改善。因此,本实验中P3HT:PCBM共混薄膜活性层的最佳制备条件是:在转速为1000 r·min-1的条件下,旋涂时间为30 s,退火时间为20 min,退火温度为150℃。为提高聚合物太阳能电池光电转换效率提供一定的依据。 【关键词】：P3HT:PCBM共混薄膜 光吸收 微观形貌 退火 自旋涂膜
【学位授予单位】：内蒙古师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 中文摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-33
• 1.1 引言11-12
• 1.2 聚合物太阳能电池研究进展12-14
• 1.3 聚合物太阳能电池的工作原理及等效电路简述14-17
• 1.3.1 激子的产生15-16
• 1.3.2 激子的扩散16
• 1.3.3 激子的分离16
• 1.3.4 电荷的传输和收集16-17
• 1.3.5 等效电路17
• 1.4 聚合物太阳能电池性能表征17-20
• 1.4.1 开路电压18-19
• 1.4.2 短路电流19
• 1.4.3 填充因子19
• 1.4.4 能量转换效率19-20
• 1.4.5 外量子效率20
• 1.5 器件结构分类20-24
• 1.5.1 单层结构20-21
• 1.5.2 双层结构21-22
• 1.5.3 本体异质结结构22-23
• 1.5.4 叠层结构23-24
• 1.6 聚合物太阳能电池的活性层和电极材料24-26
• 1.6.1 活性层材料24-26
• 1.6.2 电极材料26
• 1.6.3 电极修饰层材料26
• 1.7 选题意义和主要内容26-28
• 参考文献28-33
• 第二章 活性层的制备及测试方法33-39
• 2.1 引言33
• 2.2 实验材料与仪器33-34
• 2.3 活性层制备过程34-36
• 2.3.1 溶液配制35
• 2.3.2 ITO清洗处理35
• 2.3.3 旋涂成膜及热处理35-36
• 2.4 活性层的性能表征36-37
• 2.4.1 TGA热性分析36
• 2.4.2 AFM表面形貌分析36
• 2.4.3 XRD结构分析36-37
• 2.4.4 紫外-可见光光谱分析37
• 2.5 本章小结37-38
• 参考文献38-39
• 第三章 P3HT:PCBM不同比例对活性层微观形貌、结构及性能的影响39-45
• 3.1 引言39
• 3.2 实验部分39-40
• 3.2.1 实验材料39-40
• 3.2.2 样品制备及表征方法40
• 3.3 结果与讨论40-43
• 3.3.1 P3HT:PCBM共混薄膜的AFM测试结果40-41
• 3.3.2 P3HT:PCBM共混薄膜X射线衍射测试结果41-42
• 3.3.3 P3HT:PCBM共混薄膜光吸收测试结果42-43
• 3.4 本章小结43-44
• 参考文献44-45
• 第四章 双重优化对P3HT:PCBM活性层的微观形貌、结构及性能的影响45-55
• 4.1 引言45
• 4.2 实验部分45-47
• 4.2.1 实验材料45-46
• 4.2.2 样品制备及表征方法46-47
• 4.3 结果与讨论47-52
• 4.3.1 TGA热性测试结果47-48
• 4.3.2 P3HT:PCBM共混薄膜AFM测试结果48-49
• 4.3.3 P3HT:PCBM共混薄膜X射线衍射测试结果49-50
• 4.3.4 P3HT:PCBM共混薄膜光吸收测试结果50-52
• 4.4 本章小结52-53
• 参考文献53-55
• 第五章 结论与展望55-57
• 5.1 实验主要结论55-56
• 5.2 展望56-57
• 附录57-63
• 摘要57
• 引言57
• 1 实验57-58
• 2 结果和讨论58-61
• 3 结论61-62
• 参考文献62-63
• 攻读硕士期间发表和完成的科研成果63-64
• 致谢64

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