聚合物太阳能电池的界面研究

【摘要】：目前，基于聚合物的有机太阳能电池的转化效率已超过10%。除了给体材料对光的选择吸收之外，很多能量由于给体和受体与电极之间的能级势垒而损耗。于是，建立在电极与给-受体材料界面之间的欧姆接触将有利于提高空穴与电子的收集，从而提高器件的能量转化效率。因此，对于异质结和电极之间的界面调控有助于载流子的传输和分离，从而对提高有机太阳能电池的性能有着至关重要的作用。 本论文运用真空镀膜技术和旋涂制膜技术制备基于poly(3-hexylthiophene):(6,6)-phenyl-C60-butyric acid methyl ester (P3HT:PCBM)的聚合物太阳能电池。利用三氯甲烷对有机太阳能电池器件的阳极进行修饰，利用有机小分子材料8-羟基喹啉铝(Alq_3）和n-型掺杂的4,7-二苯基-1,10邻二氮杂菲(Bphen）对器件的阴极进行修饰，研究了器件的电流-电压特性(I-V)，外量子转化效率(EQE)及其它性能的改变，具体内容如下： 1.通过用氯仿溶液对铟锡氧化物(ITO)阳极改性来增加P3HT：PC_(61)BM体相异质结聚合物太阳能电池的性能。与传统的紫外臭氧处理的方法相比，用氯仿修饰优化过的ITO器件，光电流明显增强，但是开路电压几乎不变，因而器件的能量转换效率显著增强。研究表明，ITO表面的铟锡氧化物可以与氯仿中的氯元素结合从而提高ITO基底的功函数，降低界面势垒，从而促进了电荷收集的效率，提高太阳能电池的转化效率。 2.利用小分子材料Alq_3作为电子传输层制备了反置聚合物太阳能电池。器件经过模拟太阳光的光照处理后，其开路电压（Voc）从0.52V增加到0.60V，并且在几乎不影响短路电流的情况下，转化效率从2.54%提高至3.33%。经过研究发现，器件性能的提高主要是由于Alq_3层在可见光的诱导下发生分子内偶极的重新排布，以此改变了其表面势能，这样就减小电荷从活性层向阴极转移的能量势垒并增加电荷的收集效率。 3.利用n型掺杂的宽禁带有机小分子作为电子传输层制备高效聚合物太阳能电池。n型掺杂的有机电子传输层是通过真空热沉积的方法在BPhen中掺入不同比例的碳酸铯（Cs_2CO_3）所构成。在这个体系中，聚合物太阳能电池的性能参数主要取决于电子传输层中BPhen的掺杂浓度和薄膜层的厚度。通过优化Cs_2CO_3与BPhen的比例，可以使反置聚合物太阳能电池的能量转化效率达到4.12%，而基于BPhen电荷传输层的器件的效率只有1.34%。反置电池效率的提高一方面源于掺杂了Cs_2CO_3的BPhen与电子受体之间的能级匹配，另一方面也与掺杂之后有机电子传输层的电导率提升有关。该工作提供了一种简单易行且能够在低温下制备规整的电荷收集层薄膜的方法，该方法可以提高薄膜的导电率，减小电子受体与阴极之间的收集势垒，从而提高了聚合物太阳能电池的转化效率。 【关键词】：聚合物 太阳能电池 界面修饰 有机小分子电子传输材料 Alq3 Bphen 氯仿 氯化ITO
【学位授予单位】：苏州大学
【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
• Abstract6-10
• 1 引言10-21
• 1.1 太阳能的介绍与利用10-13
• 1.2 太阳能电池的分类13-14
• 1.3 聚合物太阳能电池的研究进展14-15
• 1.4 聚合物太阳能电池的结构15-16
• 1.5 聚合物太阳能电池的基本工作原理16-17
• 1.6 聚合物太阳能电池的主要性能参数17-18
• 1.6.1 开路电压（Voc）17-18
• 1.6.2 短路电流（Isc）18
• 1.6.3 填充因子（FF）18
• 1.6.4 转换效率（PCE）18
• 1.6.5 外量子效率(EQE)18
• 1.7 本论文的主要工作及结构18-19
• 1.8 参考文献19-21
• 2 有机太阳能电池的制备及表征21-26
• 2.1 实验设备简介21-22
• 2.1.1 高真空气相沉积仪21
• 2.1.2 太阳能电池测试系统21-22
• 2.1.3 材料表征系统22
• 2.1.4 界面电子结构表征系统22
• 2.2 实验材料22-23
• 2.3 聚合物太阳能器件的制备23-24
• 2.3.1 ITO 玻璃基片的清洁24
• 2.3.2 有机功能层的制备24
• 2.4 参考文献24-26
• 3 基于氯化铟锡氧化物导电膜的聚合物太阳能电池26-35
• 3.1 引言26-27
• 3.2 实验部分27
• 3.2.1 ITO 玻璃的清洁与表面氯化27
• 3.2.2 太阳能电池的制备27
• 3.2.3 太阳能电池的表征27
• 3.3 结果与讨论27-33
• 3.4 本章小结33
• 3.5 参考文献33-35
• 4 基于有机小分子 Alq3 的聚合物太阳能电池35-43
• 4.1 引言35
• 4.2 实验部分35-37
• 4.2.1 ITO 基底的清洁35-36
• 4.2.2 太阳能电池的制备36
• 4.2.3 太阳能电池的表征36-37
• 4.3 结果与讨论37-41
• 4.4 本章小结41
• 4.5 参考文献41-43
• 5 基于 n 型掺杂有机电子传输层的高效反置聚合物太阳能电池43-59
• 5.1 引言43-44
• 5.2 实验方法44-45
• 5.2.1 ITO 基底的清洁44
• 5.2.2 n-型掺杂的有机小分子电荷传输层的制备44
• 5.2.3 反置聚合物太阳能电池的制备44-45
• 5.2.4 反置太阳能电池及薄膜的表征45
• 5.3 结果和讨论45-55
• 5.4 结论55-56
• 5.5 参考文献56-59
• 6 总结和展望59-61
• 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文61-63
• 致谢63-64

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