基于PCDTBT的高效聚合物太阳能电池性能研究

【摘要】：有机聚合物太阳能电池以其成本低、柔韧性好、使用便捷、工艺简单等优点，得到人们的广泛关注。目前，聚合物太阳能电池的转换效率已经达到8.62%，预示着聚合物太阳能电池在光伏电池领域更为广泛的应用前景。本文采用具备低能带结构的PCDTBT制作出了高效的聚合物太阳能电池，并深入探讨了不同活性层厚度、薄膜生长环境和Ag薄层对聚合物太阳能电池性能的影响。 首先，实验中使用相对聚（3-己基噻吩）[poly（3-hexylthiophene）]P3HT具有更低能带结构的新型聚合物Poly [N-9′-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4′,7′-di-2-thienyl-2′,1′,3′-benzothiadiazole)](PCDTBT)作为电子给体材料和较C60衍生物PC60BM具有更广光谱吸收的C70衍生物[6,6]-phenyl C70-butyric acid methyl ester(PC70BM)作为电子受体材料构建共混体系活性层，制备有机聚合物太阳能电池。通过控制活性层薄膜生长速度、环境得出在N2环境中静置10min时聚合物电池达到了5.65%的高光电转换效率。然后，通过进一步优化活性层薄膜厚度短路电流密度大幅提升至Jsc=14.2mA/cm2，转换效率达到η=5.84%。本实验证明通过控制活性层薄膜生长过程和优化活性层薄膜厚度也可以大幅增加短路电流密度，达到高的转换效率。 另外，为了更贴近工业生产需要，研究了活性层在空气环境和膜厚非精确控制条件下，通过加入增反层提高电池的性能。实验中加入Ag作为半透明增反层，促使光线在电池内部往返传输大幅提高量子效率和短路电流。改变Ag的厚度得到最佳的膜厚，得出当Ag厚度为8nm时，短路电流达到最大15.0mA/cm2，光电转换效率达到6.03%。实现构建谐振腔大幅提高电池性能的目的。 最后，实验中研究了Ag纳米颗粒的掺杂对电池性能影响，得出少量Ag纳米颗粒的掺杂能有效提高电池的短路电流和光电转换效率。当掺杂浓度为5%时，短路电流密度和转换效率达到最佳Jsc=13.8mA/cm2，η=5.61%，相对无掺杂的电池，转换效率增加约10%。解释为：少量的Ag纳米颗粒掺杂可以增加活性层的光吸收和电子的迁移导电率，从而提高电池的短路电流和转换效率。但是当掺杂浓度过高时，容易在Ag颗粒表面形成电子（空穴）的聚集区，降低电子的收集效率同时增大电子-空穴的复合几率，从而大幅降低电池性能。 【关键词】：聚合物太阳能电池 薄膜 转换效率 光学间隔层 量子效率 Ag薄层
【学位授予单位】：河北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 有机太阳能电池发展综述11-25
• 1.1 引言11-12
• 1.2 有机聚合物太阳能电池的工作原理、伏安特性曲线和性能参数12-15
• 1.2.1 太阳能电池的工作原理12-14
• 1.2.2 伏安特性曲线、性能参数分析14-15
• 1.3 有机聚合物太阳能电池的性能优化15-25
• 1.3.1 ITO 修饰层对聚合物太阳能电池性能的影响15-18
• 1.3.2 新型聚合物材料在有机太阳能电池中的应用18-19
• 1.3.3 光学间隔层(Optical spacer)对聚合物太阳能电池性能的改善19-21
• 1.3.4 优化器件结构改善聚合物太阳能电池的性能21-25
• 第2章 薄膜厚度和生长过程对聚合物太阳能电池的影响25-34
• 2.1 引言25-26
• 2.2 器件制备26-27
• 2.3 器件性能测试27
• 2.4 实验结果分析27-33
• 2.4.1 活性层薄膜生长过程对电池性能的影响28-31
• 2.4.2 活性层膜厚对电池性能的影响31-33
• 2.5 结论33-34
• 第3章 基于 PCDTBT:PC70BM 的半透明聚合物太阳能电池研究34-41
• 3.1 引言34-36
• 3.2 实验介绍36-37
• 3.3 Ag 薄层的加入大幅提高电池的短路电流和转换效率37-40
• 3.4 结论40-41
• 第4章 Ag 纳米颗粒对聚合物太阳能电池性能的影响41-45
• 4.1 引言41
• 4.2 实验介绍41-42
• 4.3 实验结果分析42-44
• 4.4 结论44-45
• 结束语45-47
• 参考文献47-50
• 致谢50-51
• 攻读硕士期间取得的科研成果51

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