以NiO为空穴传输层的有机光伏电池的研究

【摘要】：根据聚合物有机太阳能电池的发展趋势和研究现状,针对目前在研究中存在的问题和可能的解决方案,结合实验室现有的实验条件,本论文在透明导电阳极材料、空穴传输层材料、新型给体和受体材料及静电纺丝新工艺方法等几个方面作了有益的探索。得到的结果如下： 1、透明导电阳极材料方面工作 (1)对AZO膜的性能进行了优化,找到了AZO膜沉积的最佳温度是250℃。这个条件下对应的方阻为31 Q sq-1,透光率为85%。 (2)用复合靶在玻璃衬底和柔性衬底上制备了ITAZO电极。该电极材料显示出了无定形的形貌。常温下制备的ITAZO电极各参数为：方阻为23 ohm/square(玻璃衬底)和26 ohm/square(柔性衬底),450～800 nm波长的透光性为87.5%(玻璃衬底)和86.3%(柔性衬底)。在最优条件下制备的ITAZO电极做出来的太阳能电池的效率可以达到3.2%(玻璃衬底)和1.66%(柔性衬底),这说明了用复合靶常温下制备的ITAZO电极是有机太阳能电池中较好的替代阳极。 (3)用自己制备的AZO、ITAZO阳极材料与现有的FTO一起制作了太阳能电池,对三者的太阳能电池性能进行了对比,结果表明三者对应的电池性能相当,再一次说明了AZO和ITAZO是较好的阳极替代材料。 2、空穴传输层方面工作 (1)详细研究了用磁控溅射方法制备NiO膜作为聚合物太阳能电池的空穴传输层的过程,这个过程主要是在FTO玻璃衬底上进行的,然后将最优结果用在了柔性ITO衬底上。我们得到的最优条件是：室温,80W,30%氧含量,和10 nm的NiO膜厚度。由此而制备的太阳能电池的最高效率为3.26%(玻璃衬底)和2.49%(柔性衬底)。常温沉积的NiO膜之所以能够有效的增强器件的效率和开路电压,主要原因是低温沉积比高温沉积的p型导电性好,以及低温时NiO的带隙更宽,这些都有助于电子的阻挡和空穴的传输。常温溅射沉积NiO膜给大面积柔性太阳能电池的制备提供了一个良好的条件。 (2)针对电池中活性层的厚度、退火温度、退火时间、退火前后的形貌、PCBM的不同聚集尺寸,及在活性层中加入添加剂DIO(1,8-二碘辛烷)这几个方面进行了详细的研究。得出活性层的最优厚度为100 nm,最优退火温度为150℃,最优退火时间为8分钟。 (3)在各种阳极材料ITO、FTO、AZO(glass)、AZO(PET)、ITAZO(glass)、ITAZO(PET)上以NiO为空穴传输层制备太阳能电池,其开路电压变化不大,在0.53 V到0.58 V范围变化。从这几个玻璃衬底来看,不论是短路电流还是曲线的形状(即填充因子),变化都很小,说明NiO和各阳极材料间的匹配都很好,同时也反映了我们自己做的电极材料的优势。用最优的AZO(250℃)和NiO (10nm)做成的太阳能电池效率最高可达3.15%,这个效率可以和FTO或ITO制备的太阳能电池性能相当。不过在柔性衬底上制备电池的短路电流明显比玻璃衬底上的要小,开路电压差别不大,总体性能良好。 (4)在电池中加入电子传输层LiF,最佳膜厚为1.5 nm LiF层的加入可以有效提高器件的开路电压和填充因子。 (5)通过刻划的方法制备了电池串联的模板,电池的串并联能有效的提高器件的开路电压和短路电流。8个电池串联后可以驱动一个有11个LED灯的灯组,单个电池电极面积为0.2cm2,整体器件的开路电压达到4.35 V,短路电流达到1.59 mA。 3、新型给、受体材料方面工作 (1)首先对新型给体材料PCPDTTPD的基本性质作了介绍,然后将PCPDTTPD:PCBM体系和P3HT:PCBM体系分别做成电池进行对比,发现以二氯苯作为溶济时,活性层膜中部分区域PCBM的结晶尺寸大且按一定方向进行,这种线条状的大尺寸结晶不利于太阳能电池性能,尤其在短路电流方面。虽然新型给体材料在开路电压上有所提高(0.74 V),但总体电池性能不如P3HT体系。 (2)首先对新型受体材料ICBA的基本性质作了介绍,然后将P3HT:ICBA体系和P3HT:PCBM体系分别做成电池进行对比。实验结果表明,ICBA体系电池的开路电压可以达到0.77 V,效率可达到5%,比PCBM体系(0.6 V,4%)的要好,尤其在开路电压方面。同时,我们也研究了PCBM体系和ICBA体系的电池在退火后活性层表面形貌的影响。 另外,我们用ICBA作为活性层,NiO作为空穴传输层,在自制的阳极材料AZO上也可以得到4.46%的效率。 4、静电纺丝新工艺方面工作 (1)用静电纺丝的方法制备NiO纤维作为电池的空穴传输层,详细讲解了纤维的制备方法,重点讨论了不同前驱溶液浓度、不同电压、不同温度和湿度下纤维的形貌。 (2)用制备的不同形貌的NiO纤维作为电池的空穴传输层,着重讨论了纤维厚度的变化对电池性能的影响。 (3)用NiO膜+NiO纤维一起作为电池的空穴传输层,着重讨论了NiO膜的厚度变化对电池性能的影响。 (4)用各种形貌NiO纤维作为给体材料。电池的结构为：FTO/MoO3/NiO fiber:PCBM/AI)。点状及线状纤维作为给体材料时对应器件没有测出电池性能,多孔状纤维结构所对应的电池有性能但不是太好,开路电压为0.13 V,短路电流密度为1.5mA/cm2,效率为0.01%。 【关键词】：NiO 空穴传输层 有机太阳能电池 静电纺丝
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要6-9
• Abstract9-14
• 引言14-16
• 第一章 绪论16-34
• 1.1 有机聚合物太阳能电池简介16-24
• 1.1.1 有机聚合物太阳能电池结构及原理16-19
• 1.1.2 有机聚合物太阳能电池重要发展历史19-20
• 1.1.3 有机聚合物太阳能电池的制备及表征20-24
• 1.1.3.1 电池的制备过程20-21
• 1.1.3.2 等效电路分析21-23
• 1.1.3.3 伏安特性测量及设备23-24
• 1.2 有机聚合物太阳能电池的材料24-32
• 1.2.1 电极材料24-25
• 1.2.2 传输层材料25-26
• 1.2.2.1 空穴传输层材料25-26
• 1.2.2.2 电子传输层材料26
• 1.2.3 活性层材料26-32
• 1.2.3.1 给体材料26-30
• 1.2.3.2 受体材料30-32
• 1.3 本论文的研究内容及其意义32-34
• 第二章 阳极材料的改性34-49
• 2.1 阳极材料AZO的优化35-37
• 2.2 新型阳极材料ITAZO的制备37-46
• 2.3 不同电极材料在有机太阳能电池中的应用46-48
• 2.4 本章小结48-49
• 第三章 以NiO为空穴传输层的有机太阳能电池49-83
• 3.1 p型透明导电NiO膜的优化50-58
• 3.2 P3HT:PCBM活性层的优化58-67
• 3.2.1 不同活性层厚度对太阳能电池特性的影响58-59
• 3.2.2 不同退火温度对太阳能电池性能的影响59-61
• 3.2.3 不同退火时间对太阳能电池特性的影响61-64
• 3.2.4 PCBM不同聚集尺寸的研究64-65
• 3.2.5 活性层中加入添加剂的研究65-67
• 3.3 NiO与PEDOT:PSS的复合67-68
• 3.4 基于不同阳极材料和NiO HTL的电池性能研究68-72
• 3.5 电子传输层LiF对电池性能的影响72-75
• 3.6 电池规模化—串并联的研究75-81
• 3.6.1 电池串联模板的制作75-76
• 3.6.2 电池的串并联测试76-79
• 3.6.3 有机太阳能电池串联的应用79-81
• 3.7 本章小结81-83
• 第四章 新型给体材料和受体材料在电池中的应用83-95
• 4.1 新型给体材料PCPDTTPD在电池中的应用83-88
• 4.1.1 PCPDTTPD基本性质83-84
• 4.1.2 PCPDTTPD:PCBM体系电池的研究84-88
• 4.2 新型受体材料ICBA在电池中的应用88-93
• 4.2.1 ICBA基本性质88-90
• 4.2.2 P3HT:ICBA体系电池的研究90-93
• 4.3 本章小结93-95
• 第五章 静电纺丝法制备NiO作为空穴传输层和给体材料95-114
• 5.1 静电纺丝法简介95-97
• 5.2 静电纺丝法制备NiO作为空穴传输层97-110
• 5.3 静电纺丝法制备NiO作为给体材料110-112
• 5.4 本章小结112-114
• 第六章 结论与展望114-117
• 参考文献117-134
• 博士期间发表论文134-136
• 致谢136

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