有机太阳能电池的同步辐射XRD表征及其性能研究

【摘要】：以聚合物P3HT为电子给体材料和PCBM为电子受体材料的有机体异质结薄膜太阳能电池逐渐成为人们研究的热点之一，因为它不仅节能环保，而且易于制备、成本较低。然而，这类器件的光电转换效率仍旧不高，在最好的情况下其转换效率才达到5%-6%。器件的光电转换效率不仅与器件的光学吸收有关，而且也与活性层的微结构形貌密切相关。因此，有效的调控主动层P3HT/PCBM的微结构和相分离以及提高器件的光学吸收本领是改善有机薄膜太阳能电池光电转换性能的关键。本文通过优化有机太阳能电池制备中给受体材料浓度、共混比例、热处理温度、衬底类型等因素改善薄膜的微观结构和纳米形貌，采用同步辐射掠入射X射线衍射（grazing incidence X-ray diffraction，GIXRD）等技术研究了薄膜的微结构和纳米形貌与器件性能的构效关系；并进一步在器件中引入互补吸收层酞菁铜（CuPc）和等离激元振荡材料金纳米颗粒（AuNPs）有效增强器件对太阳光能量的利用，以提升器件的光电转换性能。 一方面，本文采用同步辐射GIXRD研究了有机薄膜热处理前后不同深度处的微结构变化和取向性，采用GIXRD和二维面探测器研究了薄膜在不同浓度、共混比例、衬底情形下的结晶情况和取向性，并进一步结合实验研究结果，优化器件制备条件，分别制备了高/低浓度、热处理前/后的有机太阳能电池，获得了较高的光电效率，使得器件效率由低浓度/未退火处理情况下的2.23%提高到高浓度/退火处理情况下的3.43%； 另一方面，本文在器件中引入与活性层P3HT/PCBM光学吸收互补的有机小分子CuPc和能够产生等离激元振荡的AuNPs作为增强器件光学吸收材料，采用紫外可见吸收谱、同步辐射GIXRD等实验技术分别研究了薄膜的光学吸收、微结构和纳米形貌的改善情况等，并进一步结合实验研究结果，充分利用CuPc和金纳米颗粒的优势，优化器件制备条件，使得器件的光电转换性能获得大幅改善，其效率由0.06%提升到0.31%。 【关键词】：有机薄膜太阳能电池 同步辐射GIXRD 自组装微结构与纳米形貌 等离激元 光电转换效率
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（上海应用物理研究所）
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-34
• 1.1 太阳能电池的发展现状10-13
• 1.2 太阳辐射光谱13-14
• 1.3 太阳能电池分类14-18
• 1.3.1 无机太阳能电池14-17
• 1.3.2 有机太阳能电池17-18
• 1.4 有机太阳能电池器件结构和一般原理18-27
• 1.4.1 有机太阳能电池器件结构18-21
• 1.4.2 有机太阳能电池光电转换的基本过程和原理21-25
• 1.4.3 有机太阳能电池器件的表征参数25-27
• 1.5 表面等离激元27-29
• 1.5.1 等离激元在有机光伏领域的应用28-29
• 1.5.2 新型等离激元太阳能电池的设计29
• 1.6 有机薄膜的 X 射线衍射概述29-31
• 1.7 本课题来源、研究内容和意义31-34
• 1.7.1 本课题来源31
• 1.7.2 本课题研究内容31
• 1.7.3 本课题创新点31-32
• 1.7.4 本课题研究意义32-34
• 第二章 有机太阳能电池制备和表征方法34-46
• 2.1 有机太阳能电池制备34-39
• 2.1.1 ITO 导电玻璃的激光雕刻和处理35
• 2.1.2 阳极缓冲层的制备和处理35-37
• 2.1.3 主动层 P3HT/PCBM 的制备37
• 2.1.4 薄膜干燥和退火处理37-38
• 2.1.5 阴极缓冲层和金属电极沉积38-39
• 2.2 有机太阳能电池的表征方法39-46
• 2.2.1 紫外可见吸收谱39
• 2.2.2 场发射透射电子显微镜39-40
• 2.2.3 同步辐射掠入射 X 射线衍射40-43
• 2.2.4 上海光源 BL14B 衍射线站原位升温装置简介43-44
• 2.2.5 电荷传输特性测试44-46
• 第三章 影响有机太阳能电池性能的若干关键因素研究46-64
• 3.1 热处理对有机太阳能电池性能的增强研究48-56
• 3.1.1 有机薄膜制备48
• 3.1.2 有机薄膜同步辐射 GIXRD 表征48-50
• 3.1.3 有机薄膜的同步辐射 XRD 结果分析与讨论50-55
• 3.1.4 热处理前后有机太阳能电池制备及其光电转换性能测试55-56
• 3.2 给受体比例对有机太阳能电池性能的增强研究56-61
• 3.2.1 不同给受体比例的有机薄膜制备和处理56-57
• 3.2.2 给受体比例调控有机薄膜的同步辐射 GIXRD 表征57-60
• 3.2.3 不同给受体比例有机太阳能电池制备及其光电转换性能测试60-61
• 3.3 活性层材料浓度对有机太阳能电池性能增强研究61-62
• 3.3.1 不同浓度的有机薄膜的同步辐射 GIXRD 研究61
• 3.3.2 不同浓度有机太阳能电池制备及其光电转换性能测试61-62
• 3.4 不同衬底上有机薄膜制备与同步辐射 XRD 表征62-64
• 3.4.1 不同衬底上的有机薄膜制备和处理62
• 3.4.2 不同衬底上有机薄膜的同步辐射 GIXRD 表征62-64
• 第四章 等离激元共振增强有机太阳能电池的性能研究64-78
• 4.1 油相下合成的金纳米颗粒增强有机太阳能电池性能研究65-73
• 4.1.1 金纳米颗粒修饰的有机薄膜制备65-66
• 4.1.2 金纳米颗粒修饰的有机薄膜的常规表征66-68
• 4.1.3 金纳米颗粒修饰的有机薄膜的同步辐射 XRD 表征68-71
• 4.1.4 金纳米颗粒修饰的有机太阳能电池性能研究71-73
• 4.2 不同粒径金纳米颗粒修饰的有机太阳能电池的表征与性能研究73-76
• 4.2.1 不同粒径金纳米颗粒修饰的有机太阳能电池制备73-74
• 4.2.2 不同粒径金纳米颗粒修饰的器件表征与光电性能增强研究74-76
• 4.3 水相下合成的金纳米颗粒增强有机太阳能电池性能研究76-78
• 第五章 总结与展望78-82
• 5.1 学位论文工作总结78-80
• 5.2 未来科研工作展望80-82
• 参考文献82-86
• 发表文章情况86
• 读研期间参与的科研项目情况86-88
• 致谢88

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