溶剂处理对聚合物太阳能电池性能影响的研究

【摘要】：本论文围绕溶剂处理方法对P3HT:PCBM体异质结聚合物太阳能电池光伏性能的影响及其作用机理展开研究。我们通过使用廉价的有机溶剂——丙酮对活性层进行不同时间的浸泡处理,实现了活性层中给体、受体垂直方向分布的控制,并获得了高填充因子、高效率的器件。通过对器件进行多种手段的表征,我们发现丙酮溶剂处理与热退火结合的方法有效改善了活性层内部的互穿网络结构和垂直相分离情况。取得的主要研究结果和结论如下： 1.研究了丙酮溶剂处理对P3HT:PCBM共混薄膜组分的影响。通过比较溶剂处理前后薄膜的颜色和紫外-可见吸收光谱(UV-VIS),我们发现丙酮会逐步溶解活性层薄膜中的PCBM,而对P3HT没有影响；因此随着丙酮浸泡时间的增加,共混薄膜中PCBM的比例将不断下降。 2.研究了丙酮溶剂处理对P3HT:PCBM共混薄膜形貌的影响。原子力显微镜(AFM)和X射线光电子能谱测试(XPS)结果表明,在丙酮溶剂处理和热退火的协同作用下,活性层的水平方向和垂直方向上的相分离都得到了改善,有利于得到较为理想的活性层形貌。 3.研究了丙酮溶剂处理对不同给受体比例器件性能的影响。通过控制活性层的给受体比例和溶剂处理时间,在给受体质量比1：0.8、丙酮处理15s并经过热退火的条件下器件性能得到了明显的改善,最终获得了开路电压0.65V、填充因子63.7%、能量转换效率3.57%的优质器件。 4.研究了丙酮溶剂处理提升器件性能的原因。我们使用UV-VIS、外量子效率(EQE)、XPS等多种方法对器件进行表征,发现经过溶剂处理的器件在光吸收和量子效率方面并没有展现出优势,器件性能的提升主要来源于对活性层的垂直相分离和互穿网络结构的优化。 【关键词】：聚合物太阳能电池 溶剂处理 P3HT PCBM 丙酮 垂直相分离 形貌
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-11
• 1 绪论11-25
• 1.1 聚合物太阳能电池研究背景11-13
• 1.2 聚合物太阳能电池的结构和工作原理13-15
• 1.3 聚合物太阳能电池的主要特性参数15-17
• 1.4 聚合物太阳能电池的材料17-21
• 1.4.1 聚合物电子给体材料17-20
• 1.4.2 有机小分子电子受体材料20-21
• 1.5 体异质结聚合物太阳能电池活性层形貌控制的研究进展21-25
• 2 聚合物太阳能电池的制备与表征25-38
• 2.1 实验材料25
• 2.2 器件结构和制备器件所需的仪器设备25-26
• 2.3 聚合物太阳能电池器件的制备工艺26-29
• 2.3.1 配制活性层溶液27
• 2.3.2 清洗ITO基片27-28
• 2.3.3 紫外-臭氧处ITO基片28
• 2.3.4 制备阳极缓冲层28
• 2.3.5 制备活性层28-29
• 2.3.6 蒸镀铝电极29
• 2.3.7 热退火29
• 2.4 聚合物太阳能电池的表征方法29-36
• 2.4.1 紫外-可见吸收光谱(UV-VIS)29-31
• 2.4.2 原子力显微镜(AFM)31-32
• 2.4.3 X射线光电子能谱(XPS)32-34
• 2.4.4 电流密度-电压(J-V)特性测试34-35
• 2.4.5 外量子效率(EQE)特性测试35-36
• 2.5 本章小结36-38
• 3 溶剂处理对P3HT：PCBM共混薄膜组分和形貌的影响38-52
• 3.1 溶剂的选择38-40
• 3.2 溶剂处理对P3HT：PCBM共混薄膜组分的影响40-44
• 3.3 溶剂处理对P3HT：PCBM共混薄膜水平方向形貌的影响44-46
• 3.4 溶剂处理对P3HT：PCBM共混薄膜垂直方向形貌的影响46-49
• 3.5 溶剂处理改善P3HT：PCBM共混薄膜形貌的原理49-51
• 3.6 本章小结51-52
• 4 溶剂处理对P3HT：PCBM聚合物太阳能电池性能的影响52-76
• 4.1 活性层给受体比例对器件性能的影响52-54
• 4.2 溶剂处理时间对给受体质量比1：0.6的器件性能的影响54-58
• 4.3 溶剂处理时间对给受体质量比1：0.8的器件性能的影响58-63
• 4.4 溶剂处理时间对给受体质量比1：1的器件性能的影响63-65
• 4.5 溶剂处理提升P3HT：PCBM体异质结器件性能的原因分析65-74
• 4.5.1 经过溶剂处理的优化器件与最佳基础器件的光伏性能对比66-68
• 4.5.2 溶剂处理对器件吸收光谱的影响68-70
• 4.5.3 溶剂处理对器件外量子效率特性的影响70-72
• 4.5.4 溶剂处理对器件活性层垂直方向分布的影响72-74
• 4.6 本章小结74-76
• 5 结论76-77
• 参考文献77-81
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果81-83
• 学位论文数据集83

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