反型有机太阳能电池的电极修饰研究

【摘要】：近年来，由于有机太阳能电池成本低、重量轻、可制备为柔性器件和易于加工等优点，受到了广泛的关注，成为太阳能电池领域内的研究热点。通过对不同活性材料的研究和电池结构的改进，使有机太阳能电池的性能有所突破，其光电转换效率已超过10%。 一般正型有机太阳能电池的基本结构为：ITO/PEDOT:PSS/有机活性层/LiF/Al。3，4-乙撑二氧噻吩单体聚合物：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）被用作空穴传输层，但聚苯乙烯磺酸盐（PSS）是酸性物质对ITO表面有腐蚀作用，影响电池的稳定性。反型结构太阳能电池针对传统有机太阳能电池的缺陷，进行结构上的创新改造，使电池的稳定性进一步提高。本论文以反型有机太阳能电池为研究对象，制备了Zn掺杂TiOx和rGO/TiO2复合膜作为电子传输层，PEDOT:PSS和MoO3作为空穴传输层的反型有机太阳能电池。研究这些电极修饰对反型有机太阳能电池性能的影响，通过阻抗谱的分析，揭示电极修饰对有机反型太阳能电池的载流子输运和收集的物理机制。 本论文主要包括以下内容： 第一章，有机太阳能电池的研究现状、工作原理和性能参数及本论文的研究意义。 第二章，ZnTiOx复合薄膜作为电子传输层对反型有机太阳能电池性能的影响。本章制备的器件结构为： ITO/ZnTiOx/P3HT:PCBM/PEDOT:PSS/Au。其中活性层为P3HT:PCBM，用溶胶凝胶法在ITO玻璃衬底制备不同Zn/Ti原子比的TiOx作为电子传输层，用PEDOT:PSS旋涂在活性层上作为空穴传输层，制备反型有机太阳能电池。由器件的J-V特征曲线得出，效率最高的电池是Zn/Ti原子比为0.8%的器件。其光电转换效率为3.39%，相比于没有掺Zn的电池（PCE=2.51%）增加了35%。ZnTiOx的AFM图像表明，Zn/Ti原子比为0.8%的器件上有很多锌纳米棒在ITO衬底上垂直生长。具有一维几何尺寸的电极，增加了活性层与电极的比表面积，提高了电子的收集率，减少了电子的复合。由霍尔测量显示，掺入锌后，电子迁移率明显增加。电池的电化学阻抗分析表明，Zn/Ti原子比为0.8%的器件有最小的电阻、最小的电荷传输时间常数。电子在有机活性层和ITO阴极界面处传输速度的提高，增大了反型有机太阳能电池的短路电流密度，提高电池的光电转换效率。 第三章，ZnTiOx复合薄膜作为电子传输层MoO3作为空穴传输层对反型有机太阳能电池性能的影响。由于PEDOT:PSS制备工艺复杂，材料价格高等存在的问题。将PEDOT:PSS换成MoO3，将Au换成成本较低的Ag作为阳极，制备反型有机太阳能电池。其结构为ITO/ZnTiOx/P3HT:PCBM/MoO3/Ag。由器件J-V特性曲线得出，效率最高的电池Zn/Ti原子比率为0.8%。有机太阳能电池在0.8%锌掺杂TiOx功率转换效率为3.64%，与没有掺杂Zn的TiOx的电池（PCE=3.03%）相比，光电转换效率提高了20%。用MoO3/Ag做阳极比用PEDOT:PSS/Au做阳极的电池的开路电压增大，光电转换效率提高。电池表现了更好的光电性能。电化学阻抗分析表明，Zn/Ti原子比为0.8%的器件有最小的电阻、最小的电荷传输时间常数，表明电子在有机活性层和ITO阴极界面处传输速度的提高，增大了反型有机太阳能电池的短路电流密度，提高电池的光电转换效率。 第四章，rGO/TiO2复合薄膜作为电子传输层对反型有机太阳能电池性能的影响。本章制备的器件结构为： ITO/rGO:TiO2/P3HT:PCBM/PEDOT:PSS/Au。活性层为P3HT:PCBM，电子传输层为rGO/TiO2。首先用密闭氧化法制备了氧化石墨烯(GO)，由AFM图像可知，制备出了单层的氧化石墨烯（GO），厚度约为0.8nm，这与很多文献的报道是一致的。由rGO/TiO2复合薄膜的XPS能谱证实，在合成rGO/TiO2复合薄膜的过程中由氧化石墨烯（GO）变为rGO。用rGO/TiO2复合薄膜为电子传输层制备的反型有机太阳能电池，其光电装换效率为2.7%，TiO2作为电子传输层的电池效率为2.5%，两者相比，效率提高了8%。电池的阻抗谱表明，用掺杂GO的TiO2复合薄膜作为电子传输层，电子收集的效率有明显的提高，增大了电池的开路电压，从而提高电池的光电转换效率。在实验室环境下，本章中制作的反型太阳能电池效率90天的衰减为初始值的72.6%。说明所制备的电池具有良好的稳定性。 第五章，rGO/TiO2复合薄膜作为电子传输层MoO3作为空穴传输层对反型有机太阳能电池性能的影响。本章制备的电池结构为：ITO/rGO:TiO2/P3HT:PCBM/MoO3/Ag。在这一章中，用NaOH溶液做为还原剂，将氧化石墨烯（GO)还原为rGO，把rGO水溶液在TiO2溶胶制备的过程中与其复合，在ITO导电玻璃上制备出掺rGO的复合薄膜，它比纯TiO2薄膜有更加优良的性质。由器件J-V曲线得出，所有加rGO的电池效率都有很大程度的提高，最优的器件为加入rGO含量为0.83%mg/ml的TiO2溶液制作的复合薄膜制备的电池，其光电转换效率为3.82%，与不加rGO器件光电转换效率为3.03%相比，电池的光电转换效率提高了26%。rGO具有良好的导电性，它与TiO2复合后，可以有效地阻止电荷复合，提高电子收集效率，从而提高整个电池的效率。 【关键词】：反型有机太阳能电池 电子传输层 二氧化钛 氧化锌 石墨烯 氧化钼
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-10
• 目录10-13
• 第1章 绪论13-25
• 1.1 引言13
• 1.2 有机太阳能电池的研究现状及进展13-15
• 1.3 有机太阳能电池的工作原理和结构15-17
• 1.3.1 有机太阳能电池的工作原理15-16
• 1.3.2 有机太阳能电池的结构16-17
• 1.4 有机太阳能电池的基本参数17-19
• 1.4.1 短路电流（I_(sc)）18
• 1.4.2 开路电压（V_(oc)）18
• 1.4.3 填充因子（FF）18-19
• 1.4.4 光电转换效率η（PCE）19
• 1.5 本论文内容及研究意义19-22
• 参考文献22-25
• 第2章 ZnTiO_x作为电子传输层对反型有机太阳能电池的影响25-37
• 2.1 引言25-26
• 2.2 ZnTiO_x薄膜的制备26-27
• 2.3 ZnTiO_x固体薄膜的表征27-29
• 2.3.1 ZnTiO_x固体薄膜 AFM 图分析27-28
• 2.3.2 ZnTiO_x固体薄膜的霍尔测试分析28-29
• 2.4 反型有机太阳能电池的制作29-30
• 2.5 反型有机太阳能电池的表征30-33
• 2.5.1 电池的 J-V 曲线分析30-31
• 2.5.2 电池的交流阻抗谱分析31-32
• 2.5.3 电池的稳定性研究32-33
• 2.6 结论33-35
• 参考文献35-37
• 第3章 ZnTiO_x作为电子传输层 MoO_3作为空穴传输层对反型有机太阳能电池性能的影响37-47
• 3.1 引言37-38
• 3.2 氧化钛薄膜及锌掺杂氧化钛薄膜的制备38-39
• 3.2.1 锌掺杂氧化钛溶胶的制备38
• 3.2.2 ZnTiO_x固体薄膜的制备38-39
• 3.3 反型有机太阳能电池的制备39
• 3.4 反型有机太阳能电池的表征39-44
• 3.4.1 电池的 J-V 特性分析39-40
• 3.4.2 电池的交流阻抗谱分析40-43
• 3.4.3 电池的稳定性研究43-44
• 3.5 结论44-45
• 参考文献45-47
• 第4章 rGO/TiO_2修饰 ITO 作为电子传输层在反型有机太阳能电池上的应用47-61
• 4.1 引言47-48
• 4.2 rGO/TiO_2复合薄膜的制备48-49
• 4.2.1 氧化石墨烯的制备48
• 4.2.2 rGO/TiO_2复合薄膜的制备48-49
• 4.3 氧化石墨烯和 rGO/TiO_2复合薄膜的表征49-51
• 4.3.1 氧化石墨烯的 AFM 图分析49-50
• 4.3.2 GO 的拉曼光谱（Raman）分析50
• 4.3.3 GO 的 X 射线光电子能谱（XPS）分析50-51
• 4.4 rGO/TiO_2作为反型有机太阳能电池的电子传输层的制备51-52
• 4.5 电池的表征52-55
• 4.5.1 电池的 J-V 特征分析52-53
• 4.5.2 电池的交流阻抗谱分析53-54
• 4.5.3 电池的稳定性研究54-55
• 4.6 总结55-57
• 参考文献57-61
• 第5章 rGO/TiO_2作为电子传输层 MoO3作为空穴传输层对反型有机太阳能电池性能的影响61-73
• 5.1 引言61-62
• 5.2 rGO/TiO_2复合薄膜的制备62-63
• 5.2.1 还原氧化石墨烯(rGO)的制备：62
• 5.2.2 rGO/TiO_2复合薄膜的制备62-63
• 5.3 rGO/TiO_2复合薄膜的表征63-64
• 5.3.1 rGO/TiO_2复合薄膜的 AFM 分析63-64
• 5.3.2 rGO/TiO_2复合薄膜的霍尔测试64
• 5.4 反型有机太阳能电池的制作64-65
• 5.5 反型有机太阳能电池的表征65-69
• 5.5.1 电池的 J-V 特性分析65-66
• 5.5.2 太阳能电池的交流阻抗谱分析66-68
• 5.5.3 太阳能电池的稳定性研究68-69
• 5.6 结论69-70
• 参考文献70-73
• 第6章 总结与展望73-77
• 6.1 总结73-75
• 6.2 展望75-77
• 致谢77-79
• 攻读硕士学位期间发表的论文目录79-80

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

Synthesis and Photovoltaic Properties of Poly(5,6-bis(octyloxy)-4,7- di(thiophen-2-yl)benzo-[c][1,2,5]-thiadiazole-9,9-dioctylfuorene)    Liwei Wang;Feiyao Qing;Yeping Sun;Xiaoyu Li;Haiqiao Wang;

量子点-聚合物纳米复合材料的研究进展    骆乐;向卫东;谢翠萍;钟家松;梁晓娟;邹军;吕春燕;

嵌段共聚物在有机太阳能电池中的应用    叶妮雅;张梁;宫希杰;李晓芳;李海英;雷良才;

苯并噻二唑为中心的A-π-A-π-A型小分子光伏材料合成与性能研究    王丽辉;殷伦祥;张昱;李艳芹;

以醇溶性钛螯合物为阴极修饰层的高效聚合物太阳能电池    王福芝;孙刚;谭占鳌;

含有呋喃衍生物的窄带隙共轭聚合物的合成及光伏性能研究    殷亮;樊本虎;王一丹;彭文博;赵志国;邬俊波;

聚合物太阳能电池材料的研究进展    张超智;胡鹏;李世娟;沈丹;张骁;孙晓飞;

Inverted polymer solar cells with TiO_2 electron extraction layers prepared by magnetron sputtering    JIANG ZhiLiang;YANG Dong;WANG Nan;ZHANG FuJun;ZHAO Bin;TAN SongTing;ZHANG Jian;

聚合物光伏材料与器件研究进展    刘鹏;孙江曼;赵宝锋;黄飞;吴宏滨;陈军武;曹镛;

混合溶剂对PCDTBT:PC_(71)BM聚合物太阳能电池性能的影响    杨少鹏;张烨;江涛;孙学峰;鲁超群;李光;李晓苇;傅广生;

聚合物异质结太阳电池-进展与展望(摘要)    曹镛;吴宏滨;黄飞;陈军武;

基于S-和N-杂环小分子材料的合成、表征    黄红艳;傅妮娜;刘书利;李劝;赵保敏;黄维;

能源纳米器件中的材料与界面研究    陈立桅;

原位电化学聚合杂化太阳能电池光伏性能研究    路胜利;胡桂林;李国能;张邦虎;

通过界面修饰改善聚合物太阳能电池性能的研究    刘晓东

喷涂法制备聚合物太阳能电池器件研究    陈征

含烷基三唑基团的新型共轭聚合物给体材料的设计和合成及其在太阳电池中的应用    董杨

聚合物光伏器件形貌特性、性能及稳定性研究    陆运章

基于新型咔唑结构共聚物的设计合成及其光伏性能研究    查代君

基于新型受体单元的D-A共聚物的合成和光伏性能    王坤

高性能有机小分子太阳能电池的研究    王娜娜

水醇溶性有机光电材料与受体悬挂式共轭聚合物的合成与性能研究    段春晖

用于有机太阳能电池共轭聚合物的设计合成及其计算模拟    吴飞燕

金纳米颗粒等离激元增强聚合物太阳电池    方一

基于BDT单体的共轭聚合物的合成及性能研究    孙丽丽

基于小分子材料为电极界面修饰层的聚合物太阳电池    迟明明

电极修饰对rubrene/C_(70)有机太阳电池性能的改善    詹真

基于传输矩阵法的有机太阳能电池的光学计算研究    曹婧

溶液法制备聚合物太阳能电池阳极界面层的研究    翟志淳

液晶小分子掺杂ZnO纳米晶及PEDOT：PSS用于聚合物太阳能电池形貌调控及性能研究    李秋娟

聚合物太阳能电池中电子缓冲层的优化    赵婕

聚合物太阳能电池异质结设计及界面调控    王培山

新型有机高分子太阳能电池制备的研究    孙秀轩

有机太阳能电池的电极修饰及其性能的研究    李利如

有机太阳能电池材料的研究进展    段晓菲,王金亮,毛景,裴坚

有机太阳能电池研究进展    任斌;赖树明;陈卫;黄河;

有机太阳能电池研究现状与进展    李甫;徐建梅;张德;

有机太阳能电池效率提高至6.5%    

有机太阳能电池研究近况    赵文甲;司晶星;

有机太阳能电池的研究进展    张剑锋;

美评估有机太阳能电池对环境的影响    

太阳能电池未来趋势:有机太阳能电池    

科学家有望开发出低成本性能卓越的有机太阳能电池    周洪英;

加拿大国家研究理事会研究开发有机太阳能电池    

可溶性小分子有机太阳能电池    范斌;田清勇;白华;

可挠式有机太阳能电池之发展技术    陳隆建;陳正強;李宜璇;

卟啉、酞菁类有机太阳能电池材料的研究进展    刘艳;曾庆华;张宪玺;姜建壮;

基于碳纳米管纤维的有机太阳能电池    陈涛;仰志斌;彭慧胜;

基于取向碳纳米管膜的柔性有机太阳能电池    仰志斌;陈涛;何瑞旋;彭慧胜;

化学改性氧化石墨烯作为有机太阳能电池空穴传输层    张坚;杨栋;周玲玉;陈令成;赵斌;李灿;

有机太阳能电池中的相干电荷和能量转移    赵仪;

有机太阳能电池用的二维窄带隙聚合物研究    唐卫华;海杰峰;朱恩伟;卞临沂;

有机太阳能电池电子过程的理论模拟    易院平;韩广超;沈星星;

柔性及叠层薄膜有机太阳能电池研究    马廷丽;

德支持企业开发有机太阳能电池    记者 顾钢

美评估有机太阳能电池对环境的影响    记者 毛黎

突破有机太阳能电池技术瓶颈    本报驻美国记者 田学科

控制电子自旋可提高有机太阳能电池的效率    刘霞

叠层型有机太阳能电池接近商用    记者 邰举

美国研发可拉伸有机太阳能电池    蔡佳

小分子有机太阳能电池增效50%    华凌

2007年世界科技发展回顾(七)    本版编辑张浩 郑晓春 邓国庆 毛黎 何屹 顾钢 何永晋

青海有机太阳能电池研发获重大进展    记者 马悍德

青海有机太阳能电池研发取得重大进展    记者 贾明

电沉积制备聚噻吩有序微结构及有机太阳能电池    于伟利

基于聚合物的有机太阳能电池的研制与表征    乔芬

有机太阳能电池中的光物理过程研究    陈向东

有机太阳能电池电学模型与数值研究    马朝柱

有机太阳能电池界面过程的研究    陈丽佳

有机太阳能电池的电荷转移态等效电路和多重电荷分离界面研究    黄江

基于咔唑的新型共轭小分子和聚合物的合成及其光伏性质研究    陈木青

用于溶液工艺光电器件的金属氧化物界面层材料研究    白赛

有机光伏二极管的光电子性能研究    张光

基于卟啉的小分子和聚合物的合成及其光伏性能研究    黄玉英

有机太阳能电池中电极修饰的研究    史绍华

基于三元体系混合物有机太阳能电池的研究    范学东

银纳米颗粒表面等离子体增强有机太阳能电池研究    周子游

利用纳米材料的光学特性提高有机太阳能电池效率的研究    乔琳芳

体异质结有机太阳能电池光电性能的研究    刘峰

聚合物有机太阳能电池器件的研究    苏梦蟾

有机太阳能电池的数值研究    邢宏伟

有机太阳能电池制作和特性研究    景广华

基于溶液法的无铟有机太阳能电池研究    何培

基于酞菁类金属配合物的有机太阳能电池研究    杨汀