新型给体材料及活性层掺杂控制的有机太阳能电池研究

【摘要】：有机聚合物太阳能电池的研究开始于上世纪70年代，由于其具有重量轻、可用湿法成膜、具有大面积制备的潜能，以及可制备成柔性、特种形状器件、甚至可以实现全塑料化和较强的光吸收密度等优点，成为近年来最热门的研究领域之一。本文从共轭聚合物给体材料出发，制备不同活性层材料的共混器件，研究对活性层材料进行掺杂控制对有机太阳能电池的性能的影响，主要内容如下： （1）使用六种不同结构新型共轭聚合物给体材料制备有机太阳能电池器件。通过测量其能带结构与UV-Vis光谱，了解材料的光学性能，使用SEM显微镜分析给体与受体的互溶情况。其中一种材料的能带结构为1.5eV左右，小于其它几种材料的能带间隙，并且吸收光谱覆盖太阳光谱的比例同样大于其它几种材料。从器件检测的数据来看，这种结构的材料为给体的器件效率为2.14%，远高于其它几种材料为给体的器件效率。分子的HOMO能级与受体匹配较高，能够得到较高的开路电压（VOC），活性层形貌良好，给体与受体共混充分，并没有出现孔洞、裂纹、大范围的突起等明显的缺陷，也不存在明显的结晶现象。 （2）研究对P3HT体系的活性层优化控制对器件性能的影响，慢结晶器件的效率达到3.9%，短路电流为10.1mA/cm~2，外量子效率达到60%。而快结晶器件的效率为2.7%，短路电流为9.5mA/cm~2，外量子效率达到45%。两种条件下的器件开路电压保持相同水平。慢结晶器件活性层的表面粗糙度明显大于快结晶，与阴极接触更加充分，并且出现P3HT结晶现象，使得激子分离界面大大增加。此外，采用强吸电子小分子材料四氢乙烯掺杂P3HT与PCBM为活性层的器件中，进一步改善活性层的电子转移能力，浓度分别为0.1%、1%，另一组掺杂浓度为0.5%，所得器件效率、短路电流、外量子效率随浓度增加而增加。 （3）使用两种改性后的PCBM受体材料，改性后材料的能级结构与PCBM相同，球体上增加新的元素Br。光学显微镜和SEM形貌图显示，这两种受体材料的溶解性很差，在薄膜表面出现明显的结晶现象，从器件测量的结果来看，即使两种给体的性能较好，得到的器件效率也非常低，但UV-Vis光谱显示改性后的PCBM的光吸收能力大大增强。 （4）向活性层中掺杂有机盐分子，在强电场的作用下促使阴阳离子分离，能够在活性层的一侧形成离子的聚集，形成偶极层，促使活性层中的电子转移与收集。从能谱表征的角度出发，验证了本设想，并且初步应用在器件当中，产生一定有益的结果，但在器件的进一步制备中，由于有机盐材料选择不当，导致不与活性层材料互溶，实验结果并不理想，但为进一步的极性分子掺杂在电场作用下重新分布的表征给出一定的依据。 【关键词】：共轭聚合物 太阳能电池 本体异质结 电场控制
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义10-11
• 1.2 国内外在该方向的研究现状及分析11-16
• 1.2.1. 共轭聚合物太阳能电池原理11-13
• 1.2.2. 共轭聚合物太阳能电池材料的发展13-15
• 1.2.3. 基于活性层掺杂的有机太阳能电池研究现状15-16
• 1.3 本文的主要研究内容16-17
• 第2章 实验材料与方法17-26
• 2.1 实验材料与设备17-18
• 2.2 器件制备流程18-20
• 2.3 共轭聚合物材料及电池器件的表征方法20-25
• 2.3.1 UV-Vis 光谱20
• 2.3.2 形貌表征20
• 2.3.3 膜厚测量20-21
• 2.3.4 电流密度-电压曲线（I-V 曲线）21-24
• 2.3.5 外量子效率 EQE 曲线24-25
• 2.4 本章小结25-26
• 第3章 新型给体材料的太阳能电池制备与表征26-43
• 3.1 引言26-27
• 3.2 SZ-1、SZ-2、SZ-3 给体材料的器件制备与表征27-33
• 3.2.1 活性层材料性能的表征与分析27-28
• 3.2.2 器件的制备与结果分析28-33
• 3.3 P1、P2、P3 给体材料的器件制备与表征33-41
• 3.3.1 活性层材料的性能表征与分析34-35
• 3.3.2 器件的制备与结果分析35-38
• 3.3.3 以 P70CBM 为受体的器件性能表征38-40
• 3.3.4 给体材料 P2 倒置结构的器件制备与性能表征40-41
• 3.4 本章小结41-43
• 第4章 活性层掺杂控制的研究43-60
• 4.1 引言43
• 4.2 对 P3HT：PCBM 活性层掺杂控制研究43-49
• 4.2.1 控制 P3HT: PCBM 活性层结晶对器件的影响43-46
• 4.2.2 控制小分子掺杂对 P3HT: PCBM 为活性层器件的影响46-49
• 4.3 新型受体材料的器件制备与表征49-53
• 4.4 活性层掺杂控制的研究53-58
• 4.4.1 电场控制的能谱表征53-56
• 4.4.2 实验结果分析56-58
• 4.5 本章小结58-60
• 结论60-62
• 参考文献62-69
• 致谢69

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