聚合物光伏器件形貌特性、性能及稳定性研究

【摘要】：本论文围绕影响体相异质结聚合物太阳能电池光伏性能的相关因素展开研究,主要内容分为三个部分：首先研究了热处理对聚3-己基噻吩：[6,6]-苯基c61丁酸甲酯(poly(3-hexylthiophene):[6,6]-phenyl C61butyric acid methyl ester, P3HT:PCBM)薄膜的形貌影响；接着对喹喔啉类共聚物材料poly[2,3-bis-(3-octyloxyphenyl)quinoxaline-5,8-dyl-alt-thiophene-2,5-diyl](TQ)采用氟原子取替方法得到最高占据分子轨道(HOMO)能级更低的Poly[6-fluoro-2,3-bis-(3-octyloxyphenyl)quinoxaline-5,8-diyl-alt-thiophene-2,5-diyl](FTQ), FTQ:PCBM作为活性层制备的器件开路电压更高；最后对基于poly[4,8-bis-alkyloxybenzo(1,2-b:4,5-b)dithiophene-2,6-diyl-alt-(alkyl thieno(3,4-b) thiophene-2-carboxylate)-2,6-diyl](PBDTTT-C)的聚合物光伏器件制备工艺和器件参数进行了优化,对器件稳定性进行了初步的探讨。 1、利用退火处理对P3HT.PCBM共混膜形貌及其器件性能在不同温度下的影响进行研究。 ◇退火温度对P3HT:PCBM共混膜中PCBM团聚体的影响。实验结果表明,PC61BM和PC71BM团聚体的尺寸随退火温度的升高而逐渐增大,但是两种受体的聚集态明显不同,PC61BM聚集体呈树枝状,而PC71BM聚集体呈星状。 ◇A1电极对PCBM团聚体形成的影响。研究表明,先蒸镀A1电极再对P3HT:PCBM薄膜退火,A1层可避免微米量级的PCBM团聚体在薄膜表面出现。 令热处理对P3HT的结晶态和薄膜的吸收强度的影响。退火温度的提高会增强薄膜中P3HT的吸收强度和结晶强度。 ◇热处理对P3HT:PCBM为功能层的光伏器件的影响。结果表明,当热处理温度接近P3HT玻璃化温度时,器件的性能得到了提高。在170℃下的30分钟热处理时,器件的性能最好。 2、研究了氟取代的FTQ材料的吸收,薄膜形貌以及在光伏器件中的应用。 ◇氟取代TQ得到的FTQ材料比原材料TQ的HOMO能级更低,介电常数更高,从而相应器件的Voc有所增加。FTQ材料有1.70eV光学带隙,-5.51eV的HOMO能级和高达5.7×10-3cm2V-1S-1的空穴迁移率,是一种优良的光伏给体材料。 FTQ:PC71BM共混膜在110℃退火后FTQ的吸收变化情况。退火后吸收峰发生红移,且吸收强度与红移量随时间增加而增加。 ◇优化了器件性能。以1：1的质量比制备的FTQ:PC71BM器件,在其功能层经历1分钟的短时间退火后,得到5.3%的转换效率。 3、对于分别以聚(3,4-乙撑二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate), PEDOT:PSS)和氧化锌(ZnO)为修饰层的PBDTTT-C:PC71BM体系的传统型与倒置型两种器件,研究了影响器件性能的参数,通过优化参数得到高效率的光伏器件。探讨了两种器件在长期存放、光照和加热下性能的稳定性。 令研究了溶剂与添加剂对以PBDTTT-C:PC71BM功能层的光伏器件性能的影响。比较了几种不同溶剂和添加剂制备的光伏器件的性能,结果显示以邻二氯苯(dichlorobenzene, DCB)为溶剂添加3%的二碘辛烷(1,8-diiodoctane, DIO)对,其器件性能达到最优,光电转换效率达到6.7%。 ◇探讨了传统结构和倒置结构器件在氮气环境下长期存放、模拟太阳光照和加热条件时性能的变化。发现传统正型器件比倒置型的效率衰减快。这是由于倒置型器件中电极修饰层为ZnO和氧化钼(MoO3)等稳定的无机化合物的保护作用,其器件效率衰减更慢。 令以ZnO作为阴极修饰层,不仅有良好的电子传输能力,而且能提高器件的寿命与稳定性,倒置型器件是较理想的实用化的太阳能电池候选者。 【关键词】：表面形貌 聚合物电池 P3HT:PCBM 窄禁带材料 ZnO 倒置型器件
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 致谢5-6
• 中文摘要6-8
• ABSTRACT8-10
• 序10-15
• 1 引言15-39
• 1.1 太阳能电池研究背景15-16
• 1.2 太阳能电池的分类16-21
• 1.2.1 第一代基板硅晶太阳能电池16-17
• 1.2.2 第二代薄膜太阳能电池17-18
• 1.2.3 第三代新概念太阳能电池18-21
• 1.3 聚合物太阳能电池的工作原理21-23
• 1.4 聚合物太阳能电池中的一些主要参数23-27
• 1.5 聚合物太阳能电池的国内外研究现状27-35
• 1.5.1 新型聚合物给体材料28-33
• 1.5.2 有机小分子受体材料33-35
• 1.6 形貌控制对聚合物太阳能电池的性能影响35-37
• 1.7 聚合物太阳能电池的研究意义37-39
• 2 聚合物太阳能电池的功能层形貌研究39-59
• 2.1 器件制备的材料与方法39-41
• 2.1.1 实验材料40
• 2.1.2 样品的制备40-41
• 2.2 有机薄膜中团聚体成分确定41-44
• 2.3 PC_(61)BM的熔化及其再结晶特性44-45
• 2.4 温度对P3HT：PCBM聚合物薄膜表面形貌的影响45-49
• 2.4.1 变温加热对P3HT：PC_(61)BM滴膜样品表面形貌影响45-47
• 2.4.2 恒温加热对P3HT：PC_(61)BM滴膜样品表面形貌影响47-48
• 2.4.3 变温加热对P3HT：PC_(71)BM滴膜样品表面形貌影响48-49
• 2.5 电极覆盖对P3HT：PCBM聚合物薄膜表面形貌的影响49-53
• 2.6 退火温度对P3HT：PCBM薄膜的吸收与结晶影响53-55
• 2.7 退火温度对P3HT：PCBM器件的性能影响55-57
• 2.8 本章小结57-59
• 3 高开路电压的体异质结聚合物太阳能电池59-73
• 3.1 FTQ的合成方法和器件的制备60-63
• 3.1.1 单体2的合成61
• 3.1.2 单体4的合成61
• 3.1.3 FTQ共聚物的合成61-62
• 3.1.4 FTQ的测量和表征62
• 3.1.5 器件的制备和表征62-63
• 3.2 FTQ材料的吸收特性与能级测定63-64
• 3.3 基于FTQ材料的光伏器件64-71
• 3.3.1 热处理时间对FTQ功能层吸收光谱和载流子迁移率影响64-65
• 3.3.2 热处理时间对FTQ功能层表面形貌的影响65-66
• 3.3.3 FTQ材料与TQ材料的器件性能对比66-68
• 3.3.4 组分变化对基于FTQ材料的器件性能影响68-71
• 3.4 本章小结71-73
• 4 高性能聚合物太阳能电池及其稳定性研究73-101
• 4.1 优化器件性能和主要参数74
• 4.2 器件的制备与测量74-75
• 4.2.1 ZnO薄膜的制备75
• 4.2.2 传统正型器件和倒置型器件的制备75
• 4.3 功能层对器件性能的影响75-81
• 4.3.1 溶剂以及添加剂对功能层形貌的影响75-77
• 4.3.2 溶剂以及添加剂对器件性能的影响77-79
• 4.3.3 添加剂DIO的添加时间对器件性能的影响79-81
• 4.4 电极修饰层对器件性能的影响81-85
• 4.4.1 ZnO厚度的优化对器件性能影响81-82
• 4.4.2 紫外臭氧处ZnO层对器件性能的影响82-83
• 4.4.3 MoO_3厚度的优化对器件性能的影响83-85
• 4.5 器件稳定性的研究85-98
• 4.5.1 器件存放时间稳定性研究86-87
• 4.5.2 光照条件下的器件稳定性研究87-91
• 4.5.3 器件在高温条件下稳定性91-98
• 4.6 本章小结98-101
• 5 结论101-103
• 参考文献103-115
• 作者简历115-119
• 学位论文数据集119

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