有机光伏电池的界面修饰及稳定性研究

【摘要】：作为解决世界能源危机的一个可行的方法，太阳能的利用成为一个广泛研究的前沿性课题。有机光伏电池以其成本低、无毒、容易制备、易于实现柔性器件等特点而成为近年来的研究热点。如何提高光伏器件的光电转换效率、稳定性是有机光伏电池的发展方向。要提高有机光伏电池的光电转换效率及稳定性，除了材料因素以外，器件的结构设计也是至关重要的。已有研究表明阴极修饰层材料是提高光电转换效率、延长电池使用寿命的可行性途径之一。研究开发新的阴极界面缓冲层材料，进而提高器件的性能及稳定性是一个值得深入研究的课题。针对上述问题，本文开展了如下研究工作： 1.研究了真空热蒸镀法制备基于乙酸铯（CH3COOCs）为阴极修饰层的有机光伏器件。考察了CH3COOCs的厚度对器件性能和稳定性的影响。利用开尔文探针（Kelvin Probe）测定了CH3COOCs的功函数（WF）。结果表明：在厚度为0.8nm时器件具有最好的性能。短路电流(Isc)为（10.20+0.24）mA/cm2；填充因子（FF）为(63.6+0.01)%；开路电压(Voc)为(0.64+0.01)V；能量转换效率(PCE)为(4.16+0.02)%。与没有修饰层的器件相比，其稳定性提高了一倍。稳定性得以提高的主要原因是CH3COOCs在真空蒸镀的过程中分解释放出低功函的Cs，减小了活性层和Al阴极之间的界面电阻，形成欧姆接触，为电子传输提供顺畅的通道。 2.研究了溶液旋涂CH3COOCs乙醇溶液法制备阴极修饰层的有机光伏器件，考察了不同转速旋涂的CH3COOCs乙醇溶液对器件性能的影响。结果表明：转速为3000rpm10s旋涂条件下制备的器件性能最佳，Voc=（0.66+0.01）V,Jsc=（9.82+0.34）mA/cm2，FF=（62.8+0.02）%，PCE=（4.02+0.18）%。旋涂法制备的器件Voc有所提高，但是其他参数略微降低。溶液旋涂法制备阴极修饰层能够降低活性层和阴极之间的界面势垒，形成欧姆接触，这是电压提高的原因。但是乙酸铯易水解，在旋涂的过程中很难避免，这也许是Jsc和FF有所降低的原因。但是从成本和工艺等综合条件考虑，溶液旋涂法制备有机光伏电池的阴极修饰层可以在一定程度上降低有机聚合物光伏电池的生产成本。 3.研究了基于P3HT为给体、茚与C60双加成物（ICBA）为受体的有机光伏器件。考察了给、受体比例对器件性能的影响。同时还考察了加入过氧化二叔丁烷交联剂（DTBP）和加入不同比例的PCBM作为第二受体来改善器件的稳定性。结果表明：给受体比例为1:0.8时器件性能得到最大优化。Jsc=(10.86+0.01)mA/cm2，FF=(61.1+0.26)%，Voc=(0.83+0.02)V, PCE=(5.51+0.10)%。大大高于以P3HT:PCBM (1:0.8)为活性层的器件性能（Jsc＝9.02mA/cm2，PCE=3.22%，Voc＝0.66V，FF＝54.1%）。性能的提高主要是因为ICBA的能级比PCBM高0.17eV,有利于电子的传输和收集。两种改善稳定性的方法均使器件的稳定性得到提高。加入不同比例的PCBM作为第二受体的方法更有效。 【关键词】：聚合物光伏电池 乙酸铯 茚与C60双加成物 稳定性 添加剂
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-24
• 1.1 研究的意义与背景10-11
• 1.2 有机聚合物光伏电池的结构器件11-18
• 1.2.1 器件结构11-15
• 1.2.2 有机光伏电池的光电特征15-18
• 1.3 聚合物光伏电池的能量转化效率及其稳定性18-23
• 1.3.1 影响聚合物电池转化效率的主要因素18-21
• 1.3.2 影响聚合物电池稳定性的主要因素21-23
• 1.4 本论文的工作的主要研究内容23-24
• 第二章 真空蒸镀乙酸铯作为阴极修饰层的有机光伏电池24-34
• 2.1 前言24-26
• 2.2 实验部分26-27
• 2.2.1 材料及药品26
• 2.2.2 仪器及设备26
• 2.2.3 器件制备工艺26-27
• 2.2.4 器件性能测试27
• 2.3 实验结果及讨论27-33
• 2.3.1 光伏器件的光电特性曲线27-29
• 2.3.2 器件串、并联电阻的计算及分析29-30
• 2.3.3 乙酸铯作为阴极修饰层对器件性能的影响30-32
• 2.3.4 乙酸铯作为阴极修饰层对器件稳定性的影响32-33
• 2.4 本章小结33-34
• 第三章 溶液旋涂乙酸铯作为阴极修饰层的有机光伏电池34-39
• 3.1 前言34
• 3.2 实验部分34-36
• 3.2.1 材料及药品34-35
• 3.2.2 仪器及设备35
• 3.2.3 器件制备工艺35
• 3.2.4 器件性能测试35-36
• 3.3 实验结果及讨论36-38
• 3.3.1 光伏器件的光电特性曲线36-37
• 3.3.2 不同转速旋涂缓冲层溶液对器件性能的影响37-38
• 3.4 本章小结38-39
• 第四章 基于ICBA为受体的有机光伏器件性能及稳定性的研究39-50
• 4.1 前言39-40
• 4.2 实验部分40-42
• 4.2.1 材料及药品40-41
• 4.2.2 仪器及设备41
• 4.2.3 器件制备工艺41-42
• 4.2.4 器件性能测试42
• 4.3 实验结果与讨论42-48
• 4.3.1 光伏器件的光电特性曲线42-43
• 4.3.2 ICBA 作为受体对器件性能的影响43-44
• 4.3.3 P3HT：ICBA 的不同比例对器件性能的影响44-46
• 4.3.4 以 ICBA 为受体的器件稳定性的改善46-48
• 4.4 本章小结48-50
• 第五章 全文总结与展望50-52
• 5.1 全文总结50-51
• 5.2 展望51-52
• 参考文献52-57
• 发表论文与科研情况说明57-58
• 致谢58-59

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