有机聚合物太阳能电池器件的性能优化

【摘要】：有机太阳能电池由于其成本低、重量轻、可以柔性化、加工方式多样、适于大规模制造等一系列的优势有望作为无机太阳能电池的补充,得到了学术界的重视,并且在材料和器件制备工艺上已经有明显进步。为了充分掌握有机太阳能电池的制备工艺,改善有机太阳能电池器件的光电转化效率,本论文主要从有机太阳能电池的材料、结构和制备工艺等三个方面着手,分别研究阴极缓冲层、给受体材料、制备工艺、器件结构等对器件光电转换效率及稳定性能的影响。 1.通过调整P3HT:PC61BM薄膜的厚度以及热退火工艺,优化基于P3HT:PC61BM共混体相异质结光活性层的电池器件性能。结果表明,P3HT:PC61BM薄膜的厚度为240nm,退火温度为120℃时器件的光电转换效率最佳,达到3.12%。在此基础上,利用溶胶凝胶法制备了粒径分别为6-8nm及100-500nm的ZnO纳米颗粒,并且将制备的ZnO纳米颗粒应用在有机太阳能电池器件中作为阴极缓冲层,讨论不同的方法合成的ZnO对器件性能的影响。结果表明粒径较小的ZnO更适合作为阴极缓冲层。ZnO作为P3HT:PC61BM共混异质结的有机太阳能电池器件阴极缓冲层可以显著提高器件的热稳定性及在空气中的稳定性。 2.通过选择和更换不同的给体材料P3HT和受体材料ICBA的组合,调整基于P3HT:ICBA薄膜的厚度以及热退火工艺方法,优化P3HT:ICBA薄膜的厚度为240nm,退火温度为120℃时器件的效率最高可以达到3.08%。使用氯苯和添加剂1,8-二碘辛烷(DIO)作为混合溶剂制备P3HT:ICBA薄膜,优化了器件制备工艺。在使用ZnO纳米颗粒作为阴极缓冲层时,提出了一种新的薄膜干燥工艺：真空干燥法。使用真空干燥法,既可以使器件充分干燥,除去薄膜中残留的DIO,又可以保持薄膜原有的相分离形貌,方便上层ZnO分散液的旋涂。使用真空干燥工艺和ZnO作为阴极缓冲层,最终器件的效率提高到了4.43%。同时,器件的稳定性研究表明：基于P3HT:PC61BM的器件性能的稳定性优于基于P3HT:ICBA器件。 3.使用新型给体材料PBDT-TT-F与PC61BM共混,优化了PBDT-TT-F:PC61BM共混体相异质结光活性层的厚度,提升了电池器件性能,器件的效率最高可达到5.37%。研究了基于PBDT-TT-F:PC61BM共混体相异质结在各个波段范围内的光电响应EQE,发现器件在350-550nm波段的量子转换效率EQE较低,在一定程度上限制了器件的短路电流。这是由于PBDT-TT-F对350-550nm波长的光子吸收能力较小。与此相对应的,P3HT薄膜的最大吸收位于450-600nm,与PBDT-TT-F薄膜的光谱吸收形成良好的互补关系。利用PBDT-TT-F与P3HT的吸收互补性,我们提出了一种新的器件结构：将P3HT作为光谱增感层,PBDT-TT-F:PC61BM作为光活性层的一种新器件结构。优化P3HT作为光谱增感层的厚度为20nm时,提高了基于PBDT-TT-F:PC61BM共混异质结电池在400-600nm的光谱响应能力,器件的短路光电流由11.42mA/cm2提高到了12.15mA/cm2。 【关键词】：器件结构优化 ZnO纳米颗粒 阴极缓冲层 太阳能电池器件稳定性 真空干燥工艺 光谱增感层
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 有机太阳能电池的历史与发展现状10-12
• 1.1.1 有机太阳能电池的研究意义10-11
• 1.1.2 有机太阳能电池的历史与发展现状11-12
• 1.2 有机太阳能电池的原理、物理模型和性能表征12-15
• 1.2.1 有机太阳能电池的原理12-13
• 1.2.2 有机太阳能电池的等效电路和器件性能表征13-15
• 1.3 有机太阳能电池的器件结构和工艺15-20
• 1.3.1 有机太阳能电池的器件结构15-18
• 1.3.2 有机太阳能电池器件制备的工艺和改善器件性能的方法18-20
• 1.4 本论文的提出和主要工作20-21
• 1.5 本论文的主要创新点21-22
• 第二章 基于P3HT：PC_(61)BM共混异质结的有机太阳能电池器件性能优化22-46
• 2.1 前言22-23
• 2.2 P3HT：PC_(61)BM薄膜厚度及薄膜的光谱吸收与旋涂速度关系工作曲线23-25
• 2.3 基于LiF/Al阴极的P3HT：PC_(61)BM太阳能电池器件性能优化25-29
• 2.3.1 P3HT：PC_(61)BM厚度的优化25-28
• 2.3.2 后退火过程对器件性能的影响28-29
• 2.4 基于ZnO/Al阴极的P3HT：PC_(61)BM太阳能电池器件性能优化29-33
• 2.4.1 ZnO纳米颗粒的制备与表征30-31
• 2.4.2 ZnO纳米颗粒的XRD31-32
• 2.4.3 ZnO纳米颗粒的吸收特性32-33
• 2.5 ZnO/Al与LiF/Al器件稳定性能比较33-39
• 2.5.1 ZnO和LiF用于有机太阳能电池器件阴极缓冲层的器件结构简图33-34
• 2.5.2 两种ZnO纳米颗粒用于有机太阳能电池器件阴极缓冲层34-35
• 2.5.3 ZnO/Al与LiF/Al器件的热稳定性35-38
• 2.5.4 ZnO/Al与LiF/Al器件的空气稳定性38-39
• 2.6 实验部分39-44
• 2.6.1 P3HT：PC_(61)BM厚度与旋涂速度关系的标定39-41
• 2.6.2 ZnO纳米颗粒的溶胶凝胶法制备与表征41-44
• 2.7 小结44-46
• 第三章 基于P3HT：ICBA共混异质结的有机太阳能电池器件性能优化46-64
• 3.1 前言46-47
• 3.2 不同批次P3HT与ICBA对器件性能的影响47-50
• 3.2.1 不同批次P3HT对器件性能的影响47-48
• 3.2.2 不同批次ICBA对器件性能的影响48-50
• 3.3 不同活性层厚度和后退火温度对P3HT：ICBA太阳能电池器件性能的影响50-53
• 3.3.1 活性层厚度对器件性能的影响50-51
• 3.3.2 后退火过程对器件性能的影响51-53
• 3.4 基于LiF/Al及ZnO/A1阴极的P3HT：ICBA太阳能电池器件性能优化53-54
• 3.5 溶剂对P3HT：ICBA器件性能的影响54-57
• 3.5.1 使用CB+DIO对器件性能的影响54-56
• 3.5.2 使用CB+DIO作为溶剂热退火对活性层薄膜形貌的影响56
• 3.5.3 使用CB+DIO作为溶剂热退火对活性层薄膜吸收的影响56-57
• 3.6 使用CB+DIO作为溶剂制备器件的真空干燥工艺57-59
• 3.6.1 活性层薄膜真空干燥工艺对器件性能的影响57-59
• 3.6.2 真空干燥工艺后旋涂ZnO对活性层表面形貌和吸收光谱的影响59
• 3.7 P3HT：PC_(61)BM及P3HT：ICBA器件稳定性能比较研究59-61
• 3.8 实验部分61-63
• 3.8.1 实验材料61
• 3.8.2 实验设备61-62
• 3.8.3 器件制备工艺62-63
• 3.8.4 器件表征63
• 3.9 小结63-64
• 第四章 基于PBDT-TT-F：PC_(61)BM共混异质结的有机太阳能电池器件性能优化64-84
• 4.1 前言64-66
• 4.2 PBDT-TT-F：PC_(61)BM器件的优化66-70
• 4.2.1 厚度对器件性能的影响66-68
• 4.2.2 退火过程和ZnO纳米颗粒对器件性能的影响68-70
• 4.3 PBDT-TT-F：PC_(61)BM器件的光谱响应研究70
• 4.4 利用P3HT与PBDT-TT-F的吸收互补关系制备器件70-77
• 4.4.1 P3HT：PBDT-TT-F：PC_(61)BM三相共混薄膜的吸收光谱70-71
• 4.4.2 P3HT：PBDT-TT-F：PC_(61)BM三相共混薄膜器件的性能71-73
• 4.4.3 二氯甲烷对P3HT薄膜的破坏作用研究73-75
• 4.4.4 P3HT/PBDT-TT-F：PC_(61)BM平面异质结薄膜的吸收光谱75-76
• 4.4.5 P3HT的厚度对器件性能的影响76-77
• 4.5 P3HT作为光谱增感层对器件性能提升的理论解释77-79
• 4.5.1 P3HT作为光谱增感层器件的模型和能级分布77
• 4.5.2 P3HT光谱增感层对器件物理过程的影响77-79
• 4.6 实验部分79-82
• 4.6.1 实验材料79-80
• 4.6.2 实验设备80-81
• 4.6.3 器件的制备工艺81-82
• 4.7 小结82-84
• 第五章 结论84-86
• 参考文献86-92
• 致谢92-94
• 硕士期间发表论文和成果94

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