新型有机太阳能电池的制备及其性能研究

【摘要】：随着化石能源的日益枯竭和世界范围内对清洁能源的需求不断增长,人们对开发新能源技术的呼声日益高涨。有机太阳能电池由于具有器件结构和制备过程简单、质轻、可大面积制备、可弯曲、加工成本低以及环境友好等众多突出优点而备受研究者关注。提高聚合物太阳能电池效率的研究切入点包括研究开发高效率的给受体材料,活性层形貌控制,溶剂添加剂、器件结构优化,界面能级修饰等方面。其中在界面修饰方面,许多材料已经研究的十分成熟。界面材料的使用使得器件性能有所提高,而新颖的给受体材料也使器件效率不断提高。本论文以掺杂金属氧化物为研究对象,研究了钒、铋掺杂的钼氧化物作为阳极界面材料,并研究了两种新型的D-A共聚物在太阳能电池中的应用,主要研究内容及结论如下:1.以偏钒酸铵和钼酸铵为原料合成了p型掺杂化合物MoO3-V2O5,作为阳极界面修饰材料用于聚合物太阳能电池器件,分别对不同掺杂比例的化合物以及阳极修饰层的厚度进行了研究,得出在钼钒掺杂的摩尔比为4:1,阳极界面修饰层厚度为2 nm,器件性能最优,其能量转换效率为4.32%。结果表明,p型掺杂化合物MoO3-V2O5作为阳极修饰层,对光有较高的透过率、较高的空穴迁移率、平整的界面粗糙度和更加匹配的能级等,这些因素都有助于提高电池器件的填充因子及能量转换效率。2.以硝酸铋和钼酸铵为原料合成了p型掺杂化合物MoO3-Bi2O3,同样作为太阳能电池的阳极界面修饰材料。当钼铋掺杂摩尔比为7:3,修饰层厚度为2 nm时,器件性能最优,其能量转换效率为4.22%。XPS测试表明,真空蒸镀后的掺杂化合物样品与未蒸镀之前组成一致。紫外可见光谱测试表明,加入Bi可以使得光透过率提高。原子力显微镜测试表明掺杂化合物界面有着更低的粗糙度。铋钼化合物在有机太阳能电池中作为阳极界面修饰材料,有一定的应用前景。3.以两个新型的D-A共聚物PTTPPz-BDT和PTTPPz-BDTT作为给体,应用在有机太阳能电池中,进行了退火温度、给受体比例、受体选择等条件优化研究,得到最优的PTTPPz-BDTT/PC71BM器件效率为4.86%。并且通过EQE、AFM、UV-vis等表征手段探究了其性能提高的内在原因。采用大平面PPZ基团引入到D-A共聚物是提高吸收的流动性和共聚物的光电性能有效策略,好的给受体材料对有机光伏器件的优化十分关键。 【关键词】：太阳能电池 阳极界面材料 p-掺杂 D-A共聚物
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-29
• 1.1 有机半导体和器件的基本原理11-13
• 1.1.1 电荷在有机半导体材料中的传输11-12
• 1.1.2 有机太阳能器件的工作原理12-13
• 1.2 有机光伏器件的结构13-16
• 1.2.1 单层有机太阳能电池13-14
• 1.2.2 双层有机太阳能电池14
• 1.2.3 本体异质结太阳能电池14-15
• 1.2.4 叠层有机太阳能器件15
• 1.2.5 反向结构的有机太阳能器件15-16
• 1.3 有机太阳能电池中的功能材料16-24
• 1.3.1 导电电极材料16-17
• 1.3.2 界面材料17-22
• 1.3.3 有机活性层材料22-24
• 1.4 影响有机太阳能电池效率的因素24-27
• 1.4.1 给受体比例对有机太阳能电池性能的影响24-25
• 1.4.2 溶剂对有机太阳能电池性能影响25
• 1.4.3 退火热处理对有机太阳能电池性能的影响25-26
• 1.4.4 添加剂对有机太阳能电池性能的影响26-27
• 1.5 本论文的研究内容及意义27-29
• 第二章 实验部分29-36
• 2.1 实验设备及药品29-30
• 2.2 溶胶凝胶法制备掺杂氧化物30-31
• 2.2.1 MoO_3-V_2O_5掺杂氧化物的制备30
• 2.2.2 MoO_3-Bi_2O_3掺杂氧化物的制备30-31
• 2.3 有机太阳能电池的制备31-32
• 2.4 电池性能测试系统与相关的器件性能参数32-35
• 2.4.1 电池性能测试系统32-33
• 2.4.2 载流子迁移率的测试33
• 2.4.3 有机太阳能电池I-V曲线33-35
• 2.5 本文主要采用的表征技术35-36
• 第三章 MoO_3-V_2O_5掺杂氧化物作阳极界面材料的器件性能表征36-44
• 3.1 引言36
• 3.2 器件制备36-37
• 3.3 实验结果与表征37-43
• 3.3.1 MoO_3-V_2O_5的表征37
• 3.3.2 不同阳极修饰层的器件效率37-38
• 3.3.3 阳极修饰层厚度优化38-39
• 3.3.4 p型掺杂化合物的功函39-40
• 3.3.5 阳极修饰层的紫外可见光谱40-41
• 3.3.6 界面修饰材料的AFM分析41
• 3.3.7 不同阳极修饰材料的IPCE分析41-42
• 3.3.8 器件的迁移率分析42-43
• 3.4 本章小结43-44
• 第四章 MoO_3-Bi_2O_3掺杂氧化物作阳极界面材料的器件性能表征44-51
• 4.1 引言44
• 4.2 实验部分44
• 4.3 实验结果与表征44-49
• 4.3.1 MoO_3-Bi_2O_3的表征44-45
• 4.3.2 不同阳极修饰材料下的器件性能45-46
• 4.3.3 X射线光电子能谱分析46-47
• 4.3.4 阳极修饰层的紫外可见光谱分析47
• 4.3.5 有机活性层的AFM分析47-48
• 4.3.6 不同修饰材料的IPCE分析48-49
• 4.3.7 器件的迁移率分析49
• 4.4 本章小结49-51
• 第五章 聚合物给体材料的器件优化51-59
• 5.1 引言51
• 5.2 实验结果与表征51-58
• 5.2.1 给体材料的表征51-53
• 5.2.2 退火条件优化53-54
• 5.2.3 给受体材料比例优化54
• 5.2.4 活性层厚度优化54-55
• 5.2.5 PTTPPz-BDT和PTTPPz-BDTT的器件性能分析55-56
• 5.2.6 器件EQE分析56-57
• 5.2.7 表面形貌分析57-58
• 5.3 本章小结58-59
• 总结与展望59-61
• 参考文献61-72
• 致谢72-73
• 研究生期间所发文章73

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