低功耗有机光伏技术研究

【摘要】：近几年来,随着化石能源的急剧减少,许多研究人员将注意力投向了可再生能源,其中太阳能便是一个很好的选择,我们可以通过有机太阳能电池将太阳能转化为电能,这将很好地解决电力能源不足的问题。在众多的光伏产品中,有机太阳能电池在提高电池的性能方面有很大的优势。本论文对低功耗有机光伏技术作了如下三个方面的研究:利用4,4’-N,N’-二咔唑-联苯(CBP)对三氧化钼(Mo O3)进行N型掺杂,并在反转有机发光二极管和反转聚合物太阳能电池中应用这种掺杂材料。由于CBP和Mo O3可以形成电荷转移络合物,同本征Mo O3相比,Mo O3:CBP薄膜的电导率有所提高,因此复合阳极为Mo O3:CBP(15:1)7nm/Mo O3 3nm/Al的反转有机发光二极管的空穴电流比复合阳极为Mo O3 10nm/Al的反转有机发光二极管的空穴电流明显提高。但是对于将Mo O3:CBP应用于有机太阳能电池中,与ITO/Ti O2/P3HT:PCBM/Mo O3 10nm/Al相比,ITO/Ti O2/P3HT:PCBM/Mo O3:CBP(15:1)7nm/Mo O3 3nm/Al的能量转换效率只是略有增加,这主要是由于在单质结中Mo O3一侧的电子积累限制了电池在短路条件下空穴的导出,也就抵消了Mo O3:CBP(15:1)比Mo O3的电导率高的优势。因此通过CBP对Mo O3进行N型掺杂,可以提高有机太阳能电池的能量转化效率和有机发光二极管的空穴注入能力。利用3-己基取代聚噻吩(P3HT)、[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PC61BM)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)分别制作两组分和三组分活性层。对于活性层P3HT:PCBM的有机太阳能电池,阴极结构分别为Li F/Al、BCP 2nm/Al和BCP 10nm/Al的有机太阳能电池的能量转化效率几乎相同。其中BCP为2,9-二甲基-4,7-联苯-1,10-邻二氮杂菲。然而对于活性层P3HT:PCBM:PMMA的有机太阳能电池,同阴极结构为BCP 10nm/Al和阴极结构为Li F/Al的有机太阳能电池的能量转化效率相比,阴极结构为BCP 2nm/Al的有机太阳能电池的能量转化效率提高了近42%。由于P3HT:PCBM:PMMA中存在聚甲基丙烯酸甲酯,PMMA会限制P3HT和PCBM的垂直相分离,因此与P3HT:PCBM中P3HT和PCBM的垂直相分离相比,P3HT:PCBM:PMMA中P3HT和PCBM的垂直相分离会受到限制。对于ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM:PMMA/BCP 2nm/Al的有机太阳能电池而言,该有机太阳能电池的能量转化效率比结构为ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Li F/Al的有机太阳能电池的能量转化效率提高了近20%。因此通过对活性层薄膜形貌和阴极结构的研究,对低功耗有机光伏技术产业化起到了极大的推动作用。利用2,9-二甲基-4,7-联苯-1,10-邻二氮杂菲(BCP)作为缓冲层,应用在有机太阳能电池中。在制作活性层为P3HT:PCBM的有机太阳能电池时,在旋涂完活性层之后,在溶剂挥发的过程中,由于P3HT比PCBM的表面能小,P3HT向上方运动,这样可以减少P3HT和PCBM的整体表面能,从而使得分子的形态达到热力学稳定态。这样P3HT和PCBM就会在活性层的纵向方向上存在浓度梯度,其中较多的PCBM与PEDOT:PSS相接触,而活性层表面P3HT相对更多。利用P3HT和BCP层之间可以形成光伏效应,进而可以产生一个开路电压,从而可以提高有机太阳能电池的开路电压,对于结构为ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/BCP/Al的有机太阳能电池,该器件的开路电压可以看成是P3HT:PCBM和P3HT/BCP两个结构的开路电压的串联,所以结构为ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/BCP/Al的有机太阳能电池的开路电压比结构为ITO/PEDOT:PSS/P3HT/BCP/Al的有机太阳能电池的开路电压大。另外利用BCP可以阻挡Al原子向活性层的扩散,从而可以减少激子淬灭,因此在获得相同的能量转化效率的前提下,BCP代替Li F可有效提高器件的寿命。BCP作为缓冲层,对于低功耗有机光伏技术研究有一定的帮助。 【关键词】：聚合物太阳能电池 掺杂 薄膜形貌
【学位授予单位】：河北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-30
• 1.1 有机太阳能电池简介10-12
• 1.2 有机太阳能电池的工作机理12-13
• 1.2.1 光子吸收12
• 1.2.2 激子扩散和电荷分离12-13
• 1.2.3 电荷转移13
• 1.2.4 电荷收集13
• 1.3 有机太阳能电池的结构13-22
• 1.3.1 单层有机太阳能电池14
• 1.3.2 双层有机太阳能电池14-15
• 1.3.3 本体异质结太阳能电池15-21
• 1.3.3.1 小分子本体异质结太阳能电池15-16
• 1.3.3.2 聚合物本体异质结太阳能电池16-17
• 1.3.3.3 碳纳米管/聚合物本体异质结太阳能电池17-20
• 1.3.3.4 石墨烯/聚合物本体异质结太阳能电池20-21
• 1.3.4 叠层有机太阳能电池21-22
• 1.4 有机太阳能电池中常见有机材料22-28
• 1.4.1 电子给体材料23-27
• 1.4.2 电子受体材料27-28
• 1.5 本论文的创新点28-30
• 第二章 OSC器件的测试与制作30-36
• 2.1 实验材料与设备30-31
• 2.1.1 实验材料30-31
• 2.1.2 实验设备31
• 2.2 有机电子器件的工艺31-34
• 2.3 OSC器件的性能测试34-36
• 第三章 利用 4,4’-N,N’-二咔唑-联苯对MoO_3进行N型掺杂的研究36-46
• 3.1 引言36-37
• 3.2 实验37-38
• 3.2.1 材料37
• 3.2.2 反转有机发光二极管(IOLED)制作37-38
• 3.2.3 反转聚合物太阳能电池(IPSC)制作38
• 3.3 结果与讨论38-44
• 3.3.1 MoO_3:CBP(15:1)与MoO_3的光谱和电学性能比较38-39
• 3.3.2 MoO_3:CBP(15:1)对反转有机发光二极管(IOLED)性能影响39-42
• 3.3.3 MoO_3:CBP(15:1)对反转聚合物太阳能电池(IPSC)性能影响42-44
• 3.4 本章小结44-46
• 第四章 本体异质结聚合物太阳能电池中活性层形貌和阴极结构的研究46-54
• 4.1 引言46-47
• 4.2 实验47-48
• 4.3 结果与讨论48-53
• 4.3.1 两组分和三组分薄膜微观形貌和光学特性48-49
• 4.3.2 两组分薄膜和三组分薄膜中P3HT和PCBM的纵向相分离的比较49-50
• 4.3.3 两组分和三组分器件的空穴单极性比较50-51
• 4.3.4 利用两组分和三组分薄膜制作的聚合物太阳能电池的性能51-53
• 4.4 本章小结53-54
• 第五章 BCP缓冲层在有机太阳能电池中的作用54-62
• 5.1 引言54-55
• 5.2 实验55-56
• 5.3 结果与讨论56-60
• 5.3.1 BCP缓冲层对器件性能的影响56-58
• 5.3.2 活性层垂直相分离对器件性能的影响58-60
• 5.4 本章小结60-62
• 第六章 结论62-64
• 参考文献64-78
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果78-80
• 致谢80

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