活性层掺杂技术提高聚合物太阳能电池性能的机理研究

【摘要】：聚合物太阳能电池因其成本低廉、质量轻、半透明及制备材料可控等诸多优点，已成为当今新能源领域的研究热点之一。然而，因其能量转换效率（PCE）较低而不能投入商业生产为人们服务。因此，聚合物太阳能电池光电性能的提高便成为相关领域研究工作的重点。近年来，工作者利用许多方法来提高聚合物太阳能电池的性能，取得了显著的成效，例如：混合溶剂处理活性层溶液、高温退火、活性层掺杂金属纳米粒子及活性层溶液添加有机溶剂添加剂等等。本文基于聚合物太阳能电池制备技术，结合实验与模拟计算，主要针对活性层掺杂技术对电池性能的提高机理进行了研究分析，旨在探索优化聚合物太阳能电池性能的方法，提高器件能量转换效率。 第二章中，作者基于电子给体材料poly{[4,8-bis-(2-ethyl-hexyl-thiophene-5-yl)-benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophene-2,6-diyl]-alt-[2-(2′-ethyl-hexanoyl)-thieno[3,4-b]thiophen-4,6-diyl]}(PBDTTT-C-T)与电子受体材料[6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester(PC71BM)混合制备本体异质结聚合物太阳能电池。在活性层混合溶液中添加3%体积比的1,8-diiodooctane(DIO)作为添加剂的基础上，添加不同体积比的硝基苯。实验表明，当硝基苯的体积比为12%时，电池器件的光电性能得到了最显著的优化，其短路电流密度（JSC）达到19.66mA/cm2，能量转化效率(PCE)由7.49%提高到了8.88%。作者对添加不同体积比硝基苯的活性层薄膜及器件进行光吸收谱、表面形貌及外量子效率的测量，发现硝基苯的添加能够优化活性层薄膜的表面形貌，使其形成良好的相分离，增加活性层薄膜对光的吸收能力及电荷传输能力，从而提高器件的短路电流和能量转化效率。 基于上一章实验内容的研究，作者发现，硝基苯的添加对聚合物太阳能电池性能的优化有着更为主要的机制。在第三章中作者通过对活性层薄膜进行荧光发射谱及瞬态吸收谱的测量并结合模拟计算，表明，硝基苯与给体材料PBDTTT-C-T通过氢键结合形成了稳定的共面电荷转移配合物，有效的增加了器件的外量子效率，其主要机制包括：（1）电荷转移配合物PBDTTT-C-T-C6H5NO2有着更高的最低未占有轨道（LUMO），能够更有效的使得光诱导电子转移到受体材料PC71BM的LUMO上；（2）有效的猝灭了活性层薄膜的荧光发射。这一发现说明了形成有效的氢键配合物是提高聚合物太阳能电池器件性能的一种新的途径。 聚合物太阳能电池性能的优化方式有多种，在文章第四章中，作者选取了两种优化方式，基于以poly(3-hexylthiophene)(P3HT)为电子给体材料，[6,6]-phenyl C60-butyric acidmethyl eater (PCBM)为电子受体材料制备聚合物太阳能电池。在Poly-(3,4-ethylenedioxythiophene): poly(styrenesulfonate)(PEDOT:PSS)与活性层之间插入不同厚度的P3HT层，并在P3HT层厚度最佳的基础上，进一步在活性层中掺杂不同质量比的Ag纳米粒子，以此来双重优化聚合物太阳能电池的性能。当插入45nm厚的P3HT层及掺杂质量比为5%的Ag纳米粒子时活性层薄膜的形貌及内部结构得到了最佳优化，电池器件对太阳光的吸收效率及外量子效率得到了显著地提高，并出现红移现象。在25°C，光强为100mW/cm2的条件下测量其短路电流密度JSC为11.21mA/cm2，能量转化效率PCE为3.79%。 【关键词】：聚合物太阳能电池(PSCS) 电荷转移配合物 Ag纳米粒子 P3HT层 能量转换效率(PCE)
【学位授予单位】：河北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 引言11
• 1.2 聚合物太阳能电池的发展11-13
• 1.3 聚合物太阳能电池的工作原理及表征13-16
• 1.3.1 工作原理13-14
• 1.3.2 太阳能电池性能的表征14-16
• 1.4 聚合物太阳能电池材料及器件结构16-20
• 1.4.1 聚合物太阳能电池制备材料16-18
• 1.4.2 聚合物太阳能电池的结构18-20
• 1.5 本文研究内容20-21
• 第2章 硝基苯掺杂活性层对以 PBDTTT-C-T:PC_(71)BM 为基础的聚合物太阳能电池性能的提高21-28
• 2.1 引言21-22
• 2.2 实验介绍22-23
• 2.2.1 器件制备22
• 2.2.2 器件材料22
• 2.2.3 器件性能的测量22-23
• 2.3 结果及讨论23-27
• 2.3.1 器件的 J-V 特性23-24
• 2.3.2 器件的外量子效率（EQE）24
• 2.3.3 活性层薄膜的吸收光谱24-25
• 2.3.4 添加硝基苯对活性层薄膜的影响25-27
• 2.4 结论27-28
• 第3章 电荷转移配合物对基于 PBDTTT-C-T:PC_(71)BM 聚合物太阳能电池性能的优化机理28-37
• 3.1 引言28-29
• 3.2 实验介绍29-30
• 3.2.1 活性层薄膜的制备29-30
• 3.2.2 实验材料及活性层薄膜的检测30
• 3.3 结果及讨论30-36
• 3.3.1 活性层薄膜的荧光光谱30-31
• 3.3.2 活性层薄膜的瞬态吸收及动力学过程31-34
• 3.3.3 电荷转移配合物的计算34-36
• 3.4 结论36-37
• 第4章 双重优化对基于 P3HT:PCBM 有机太阳能电池效率的提高37-46
• 4.1 引言37
• 4.2 实验介绍37-39
• 4.2.1 器件制备37-38
• 4.2.2 实验材料及器件检测38-39
• 4.3 结果及讨论39-43
• 4.3.1 插入 P3HT 层对器件的优化39-41
• 4.3.2 掺杂 Ag 纳米粒子对器件的进一步优化41-43
• 4.4 结论43-44
• 4.5 进一步研究工作44-46
• 结束语46-47
• 本文的创新点47-48
• 参考文献48-54
• 致谢54-55
• 攻读学位期间取得的科研成果55

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