Pentacene/C_(60)异质结有机小分子太阳能电池制备及特性研究

【摘要】：自1986年Tang等人制得第一个双层太阳能电池以来,有机太阳能电池引起了人们广泛的兴趣。与传统无机太阳能电池相比,有机太阳能电池拥有低制作成本、轻便和可弯曲性等潜在优势。在有机太阳能电池整个领域,其中有机小分子太阳能电池发展迅猛。有机小分子异质结太阳能电池存在给体-受体界面,激子可以在界面进行有效地分离。同时,由于电子和空穴可以分别在不同的材料传输,大大降低了电子和空穴的复合。基于以上这些原因,有机异质结太阳能电池比单层器件更有优势。pentacene具有较长的激子扩散长度,并拥有较高空穴迁移率和可观的可见光谱吸收,是有机小分子太阳能电池中一种很有潜力的P型有机小分子材料。自从Sariciftci报道发现了超快的光诱导电子从给体传输到富勒烯分子C60以来,C60已成为制作有机小分子电池最常用受体材料。因此本文研究了pentacene/C60异质结结构的有机小分子太阳能电池。主要的研究内容和结论如下： 首先,我们使用ITO为底电极、金属Al为顶电极,有机小分子Pentacene和C60作为有机中间层,利用真空热蒸发方法制备了ITO/Pentacene/C60/Al异质结结构有机小分子太阳能电池。但是制备的器件性能很差而且在随后的时间里,我们发现了器件明显的性能衰减。 其次,我们制备了以bathocuproine (BCP)作为缓冲层的器件,结构为ITO/Pentacene/C60/BCP/Al。引入缓冲层后,器件的性能得到了大幅度提高。BCP的作用主要有三个方面,一个是作为缓冲层保护器件的有机层。不仅可以隔绝空气中的水、氧等侵入有机层,还可以减轻在蒸镀A1电极的过程中由于金属原子侵入C60层而引起导电性下降,利于载流子向电极的输运,从而减小了器件的电阻,增加了短路电流密度；二是作为空穴阻挡层,减少Al电极附近电子和空穴的复合；三是作为激子阻挡层,减少电极附近激子的复合。 再次,我们使用电子迁移率比BCP高一个数量级的8-hydroxy-quinoline aluminium (Alq3)代替BCP作为缓冲层,器件结构为ITO/Pentacene/C60/Alq3/Al。引入缓冲层后,电池效率从0.18%提高到0.37%。对于用Alq3作缓冲层的器件,一方面由于Alq3具有更大的迁移率,更有利于光生电子通过缓冲层到达Al电极；另一方面由于Alq3对氧更强的阻挡能力,而且其耐受水的能力也要比BCP强,不易结晶。从而器件的性能更好、更稳定。 最后,为了进一步提高电池性能,我们在制备ITO/Pentacene/C60/Alq3/Al器件前对ITO进行了紫外臭氧处理,器件的性能得到了大幅度提高。经紫外臭氧处理,一方面优化了ITO的表面形貌,改善了ITO与有机层的接触；另一方面,提高了ITO的功函数,增大了短路电流密度和开路电压。 最优化太阳能电池器件性能的各特征参数为Jsc=3.6mA/cm2,Voc=385mV, FF=0.40,η=0.55% 【关键词】：有机小分子太阳能电池 pentacene/C_(60)异质结 BCP AIq_3 紫外臭氧
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 目录6-8
• CONTENTS8-10
• 摘要10-12
• ABSTRACT12-14
• 符号说明14-16
• 第一章 绪论16-36
• 1.1 太阳能电池16-19
• 1.1.1 太阳能电池发展背景16-17
• 1.1.2 太阳能电池简介17-19
• 1.2 有机太阳能电池19-30
• 1.2.1 有机半导体材料19-20
• 1.2.2 有机太阳能电池简介及发展20-21
• 1.2.3 有机太阳能电池工作原理21-24
• 1.2.4 有机太阳能电池结构24-28
• 1.2.5 太阳能电池测试的标准条件28-30
• 1.3 本论文主要研究目的和内容30-32
• 参考文献32-36
• 第二章 样品的制备与测试36-54
• 2.1 实验材料的准备36-39
• 2.1.1 电极材料36-37
• 2.1.2 有机半导体材料37-39
• 2.2 样品的制备39-48
• 2.2.1 真空蒸发原理39-40
• 2.2.2 真空热蒸发设备40-42
• 2.2.3 样品制备过程42-48
• 2.3 样品的测试48-52
• 2.3.1 膜厚的测试48-50
• 2.3.2 薄膜表面形貌的测试50
• 2.3.3 I-V测试50-52
• 参考文献52-54
• 第三章 Pentacene/C_(60)异质结有机太阳能电池器件54-74
• 3.1 有机太阳能电池的等效电路与性能表征55-58
• 3.2 ITO/Pentacene/C_(60)/Al器件58-61
• 3.3 ITO/Pentacene/C_(60)CP/Al器件61-64
• 3.4 ITO/Pentacene/C_(60)/Alq_3/Al器件64-67
• 3.5 ITO紫外臭氧处理67-71
• 参考文献71-74
• 第四章 结论与展望74-76
• 攻读硕士学位期间发表的论文目录76-78
• 致谢78-80
• 学位论文评阅及答辩情况表80

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