可溶液加工的石墨烯在有机太阳能电池中的应用

【摘要】：近年来，由于全球能源危机的日益严重，高效率、低成本的太阳能电池的开发成为人们研究的热点。过去的十年间，有机太阳能电池蓬勃发展，能量转换效率从3%刷新到接近9%。目前，有机太阳能电池尚存在如下问题： 第一，在活性层成膜过程中，大多使用有毒的有机溶剂，如氯仿，氯苯，甲苯等，污染环境。同时，活性层中的受体材料大多采用富勒烯及其衍生物，这些材料需要经过多次提纯才能达到在器件中应用的标准，从而大大增加了有机太阳能电池的生产成本，导致其energy payback过低。这些与太阳能电池“清洁，环境友好，成本低廉”的初衷相违背的。 第二，有机聚合物太阳能电池中普遍应用导电聚合物PEDOT:PSS作为阳极与活性层之间的界面修饰，增强阳极与活性层的接触、增加空穴的收集。但是，由于PEDOT:PSS具有高的酸性、吸湿性，以及较低的导电性，从而限制了器件的长期稳定性；有机小分子太阳能电池体系，多采用MoO_3为空穴传输层。但MoO_3功函数（-5.5eV）与ITO电极功函数（-4.7eV）相差较大，这一能级上的不匹配易形成势垒，影响电极对空穴的收集，进而限制的器件短路电流。 针对以上问题，在本论文中我们提出以下解决方案： 一．本论文拟设计制备带有羧基或磺酸基的水溶性聚噻吩衍生物，以其为分散剂，通过非共价键功能化分散/还原法制备在水中能够稳定分散的石墨烯。以水溶性聚噻吩衍生物为电子给体，石墨烯为电子受体制备光敏薄膜，研究石墨烯的含量、退火、成膜条件等对薄膜聚集态结构的影响。以其为活性层制备太阳能电池，研究电池的性能与薄膜形态和器件结构之间的关系，为制备高性能、清洁、低成本的水溶性聚合物太阳能电池提供理论与实验依据。 二．我们在聚合物太阳能电池的ITO电极与PEDOT:PSS层之间引入石墨烯缓冲层，以阻隔PEDOT:PSS对ITO电极的腐蚀，增强器件的稳定性。在小分子太阳能电池的ITO电极与MoO_3层之间引入石墨烯缓冲层，使电极处能级结构更加匹配，有利于空穴的收集。同时，由于石墨烯具有较高的导电性，可以很好的改善界面的电学性质，有利于器件中空穴的传输。同时，石墨烯可通过溶液法加工制备，且源材料为价格低廉的石墨粉，有效的控制了生产成本。 【关键词】：氧化石墨 水相分散的石墨烯 有机太阳能电池
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-35
• 1.1 引言9-11
• 1.2 有机太阳能电池的重要发展历程11-22
• 1.2.1 有机小分子太阳能电池的发展12-16
• 1.2.2 有机聚合物太阳能电池的发展16-20
• 1.2.3 有机太阳能电池受体材料的发展20-22
• 1.3 有机太阳能电池的器件结构，工作原理和性能表征22-29
• 1.3.1 有机太阳能电池的主要器件结构22-25
• 1.3.2 有机太阳能电池的工作原理25-26
• 1.3.3 有机太阳能电池的性能表征26-29
• 1.4 本论文的设计思想29-31
• 参考文献31-35
• 第二章 基于水溶性聚噻吩衍生物和石墨烯的绿色聚合物太阳能电池35-55
• 2.1 引言35-40
• 2.1.1 基于水溶性聚合物的绿色太阳能电池发展历程35-36
• 2.1.2 石墨烯的崛起36-37
• 2.1.3 石墨烯的制备方法37-38
• 2.1.4 石墨烯在聚合物太阳能电池中的应用38-40
• 2.2 实验部分40-43
• 2.2.1 实验用试剂40
• 2.2.2 非共价键功能化法制备水中分散的石墨烯40-41
• 2.2.3 实验用测试仪器及测试样品制备41-43
• 2.3 结果与讨论43-49
• 2.3.1 GO 的表征43-45
• 2.3.2 石墨烯的表征与器件光伏性能45-49
• 2.4 本章小结49-50
• 参考文献50-55
• 第三章 基于石墨烯做电极修饰层的有机太阳能电池55-68
• 3.1 引言55-56
• 3.2 实验部分56-58
• 3.3 结果与讨论58-63
• 3.3.1 石墨烯做界面修饰的聚合物太阳能电池体系光伏性能58-60
• 3.3.2 石墨烯做界面修饰的小分子太阳能电池体系光伏性能60-63
• 3.4 本章总结63-65
• 参考文献65-68
• 第四章 结论与展望68-70
• 攻读学位期间发表文章70-73
• 作者简介73-74
• 致谢74-76
• 特别感谢为本论文的完成提供经费支持的基金和项目76

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