高效聚合物太阳电池的电极修饰与光伏探测器的性能研究

【摘要】：聚合物光伏器件是一种新型的能够直接将太阳光子转化为电能的器件,因具备质量轻、成本低以及材料来源广泛等优点而被广泛研究。一般来讲,光伏器件可以分为两类:光伏电池和光伏探测器。尽管这两者在很多地方相同,但前者的目的在于将太阳能转化为电能而后者则更倾向于捕捉具有特定波长的光信号并将其转化为电信号。最近,已有诸多研究组报道了能量转换效率超过10%的聚合物太阳电池,但这一结果离商业化应用还有一定距离。因此,目前对聚合物太阳电池的研究主要集中在提升转化效率方面。在众多的性能提升方案中,对光活性层与电极之间的界面进行修饰是一种有效的方法。在本论文中,我们首先以共轭聚电解质材料为阴极修饰层,用窄带隙聚合物给体作为光吸收材料制备了能量转化效率为6.56%的高效聚合物太阳电池。在该研究中,我们以常见的无机氧化锌(Zn O)层和两种聚电解质材料PFN和PCEN作为阴极修饰层研究了影响器件性能的因素。实验发现,基于这三种阴极修饰材料的器件串联电阻都非常小,不会造成器件性能的显著差异。随后的电容-电压测试表明,采用PCEN和PFN可以增强器件的内建电势,增加激子的分离与载流子传输效率。瞬态光电压研究揭示了器件中存在着两种载流子复合途径,分析器件在不同光强下开路电压的变化曲线,我们得知使用聚电解质层可以有效降低界面的陷阱浓度进而提升器件性能。随后,我们首次通过实验证实采用可溶液加工的苝酰亚胺n型小分子(PBI-1)可以作为高效聚合物太阳电池的阴极修饰层使用。我们发现用四氢呋喃将PBI-1旋涂在ITO衬底上时PBI-1分子可以通过分子的自组装作用形成J型纳米棒状聚集。使用这种复合电极时在氯苯中溶解的PTB7:PC71BM光活性层可以直接旋涂在其表面。与传统结构的器件相比,经PBI-1修饰的器件在效率上有明显提升(PCE9%),而且这种效率的提升来自于短路电流、填充因子以及开路电压的同时提高。该实验表明,这类可溶液加工的n型PBI分子在高效聚合物电池的阴极界面修饰方面是很有前途的。在第三章中我们以溶液法制备的VOx作为空穴抽取层制备了高效聚合物太阳电池。通过采用双层阳极修饰的方法,我们进一步提升了器件的性能,基于单层VOx,Vox/低电导率PEDOT:PSS,VOx/高电导PEDOT:PSS率阳极修饰层制备的器件效率分别为3.96%,4.06%和4.16%。之后,我们以不同的阳极修饰层(PEDOT:PSS,VOx和Mo Ox)系统地研究了它们对器件性能的影响,结果表明,阳极界面陷阱对器件的性能有较大影响,降低缺陷态密度有利于提升器件的性能。尽管基于吡咯并吡咯二酮(DPP)单元的材料在聚合物太阳电池方面被广泛研究,但是它们作为光响应材料在近红外探测器方面的研究却鲜有报道。在第四章中,我们以溶液加工方法将DPP类聚合物(PDPP3T,PDPPBT和PDPPT)制备成了高性能的聚合物近红外探测器,它们均展示出了高的响应度,探测度以及宽的线性动力区域。其中,基于PDPP3T的器件在855nm处具备310 m A/W的高响应度,同时,该器件的线性动力区域宽达130d B,这两个参数均接近目前文献报道的最高值。随后,我们以柔性透明的PEN基板替换刚性的玻璃衬底,制备了高效柔性探测器。时间响应测试表明探测器的响应时间小于1ms。另外,在测试的过程中柔性器件表现出了良好的柔韧性能,在便携式设备,航空航天,夜视以及其它军用和民用等领域有着广阔的应用前景。 【关键词】：聚合物光伏电池 聚合物光伏探测器 过渡族金属氧化物 水/醇溶共轭聚合物 苝酰亚胺 柔性探测器
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4;O631
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-43
• 1.1 引言12-14
• 1.2 有机/聚合物光伏器件简介14-15
• 1.3 有机/聚合物光伏材料简介15-18
• 1.3.1 窄带隙材料16-17
• 1.3.2 高电离能的聚合物与低亲和能受体材料17-18
• 1.3.3 界面修饰材料18
• 1.4 有机/聚合物光伏器件的关键参数18-22
• 1.4.1 开路电压19
• 1.4.2 短路电流19
• 1.4.3 填充因子19-20
• 1.4.4 响应度20
• 1.4.5 响应时间20-21
• 1.4.6 归一化探测度21
• 1.4.7 线性动力区域21-22
• 1.5 有机/聚合物光伏器件的器件物理过程22-24
• 1.5.1 光子的吸收22-23
• 1.5.2 激子的产生23
• 1.5.3 激子的扩散与分离23-24
• 1.5.4 载流子的传输24
• 1.5.5 载流子的抽取与收集24
• 1.6 聚合物光伏器件的制备技术24-28
• 1.6.1 旋转涂布法24-25
• 1.6.2 刮刀涂布法25-26
• 1.6.3 丝网印刷法26-27
• 1.6.4 喷墨打印法27-28
• 1.6.5 卷对卷印刷法28
• 1.7 聚合物光伏器件的几种表征技术28-41
• 1.7.1 电化学阻抗分析技术29-35
• 1.7.2 瞬态光电压/光电流技术35-37
• 1.7.3 光照线性增压瞬态技术37-39
• 1.7.4 光电子能谱技术39-41
• 1.8 本论文的设计思路和创新之处41-43
• 1.8.1 课题的提出41-42
• 1.8.2 论文的内容与创新性42-43
• 第二章 聚合物太阳电池的阴极修饰43-63
• 2.1 引言43-44
• 2.2 水/醇溶共轭聚电解质材料作为高效聚合物太阳电池的阴极修饰层44-55
• 2.2.1 背景介绍44-45
• 2.2.2 实验目的45
• 2.2.3 器件制备与表征45-47
• 2.2.4 结果与讨论47-55
• 2.3 苝酰亚胺作为高效聚合物太阳电池的阴极修饰层55-61
• 2.3.1 背景介绍55-56
• 2.3.2 实验目的56
• 2.3.3 器件制备与表征56-57
• 2.3.4 结果与讨论57-61
• 2.4 本章小结61-63
• 第三章 基于溶液法制备的过渡族金属氧化物作为阳极修饰层在聚合物太阳电池中的应用63-84
• 3.1 引言63-68
• 3.2 双层阳极修饰法提升聚合物太阳电池的性能68-72
• 3.2.1 器件制备与表征68
• 3.2.2 结果与讨论68-72
• 3.3 不同阳极修饰层对高PC71BM含量的聚合物太阳电池性能的影响72-83
• 3.3.1 器件制备与表征72-73
• 3.3.2 结果与讨论73-83
• 3.4 本章小结83-84
• 第四章 基于吡咯并吡咯二酮的高效聚合物光伏探测器84-96
• 4.1 引言84-86
• 4.2 实验部分86-87
• 4.2.1 材料与试剂86
• 4.2.2 器件的制备与测试86-87
• 4.3 结果与讨论87-95
• 4.3.1 三种DPP类聚合物的光伏探测器的性能87-90
• 4.3.2 高效柔性聚合物探测器的制备与性能研究90-95
• 4.4 本章小结95-96
• 结论96-98
• 参考文献98-112
• 攻读博士学位期间取得的研究成果112-115
• 致谢115-117
• 附件117

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