种子层诱导纳米相结构有机光伏器件的设计与制备工艺

【摘要】：随着世界经济的发展和不可再生的传统能源不断枯竭，新能源技术已成为解决能源问题的重要力量，光伏电池发电以其可持续、环保等优势成为解决能源问题的重要途径。而目前传统晶硅电池因其工艺复杂、能耗大和发电成本高等因素严重制约光伏的发展。相对于传统光伏电池，有机光伏电池具有制有廉价、可大面积制备、工艺简单等优势，成为光伏电池的重要发展方向。光电转化效率低，严重制约了有机光伏电池的商业化发展。本论文基于提高有机光伏电池的光电转换效率问题进行选题，通过对器件结构设计和制备工艺优化，期望进一步改善器件的性能。该工作主要使用P3HT:PC_(61)BM体系的体异质结有机光伏电池进行器件制备、工艺优化和新型结构设计，研究了制备工艺、退火方式、溶剂效应和新型结构等方面对P3HT:PCBM体异质结有机光伏器件性能的影响。主要从以下几个方面进行研究： （1）制备传统体异质结结构的器件，通过优化旋涂速度，光敏层旋涂浓度以及1,8-二辛硫醇添加剂浓度，获得了较好的表面形貌，获得更佳的光敏层两相分离，最终获得器件效率（PCE）达2.68%。 （2）分别采用氯苯、邻二氯苯，1,2,4-三氯苯为溶剂旋涂光敏层，并进行不同的退火工艺，观察溶剂效应对器件性能的影响。通过SEM断面图直观的看到了器件的三明治结构，以及器件制备的不均一性。通过AFM形貌图和相移图的对比，发现了短路电流偏低重要原因是没有在光敏层内部形成有效的纳米相互穿网络结构。与较挥发性较强的氯苯相比，邻二氯苯能获得更好相分离的光敏层。1,2,4-三氯苯较高的沸点造成旋涂的光敏层太薄，光敏层不能充分捕获光能，不适合作为传统器件结构的旋涂溶剂。以邻二氯苯为溶剂制备的器件最终获得器件效率（PCE）达3.4%。 （3）通过诱导UP-SIDE-DONE(USD)方法设计并制备新型P3HT种子层诱导纳米相结构ITO/PEDOT:PSS/P3HT/P3HT:PCBM/LiF/Al器件。在PEDOT:PSS层和P3HT:PCBM之间引入一层极薄的P3HT薄膜，来诱导和调控光敏层的结晶形貌和载流子输运通道。通过优化旋涂浓度、诱导层厚度、处理时间、退火条件等优化制备工艺。分析器件的J-V曲线，内、外量子效率，紫外可见吸收光谱，发现该结构改善了器件的填充因子FF，提高了短路电流J_(sc)，进而提高了光电转化效率。在预旋涂P3HT浓度为0.4%的种子层的新型器件获得了最优的短路电流J_(sc)为12.59mA/cm~2，最终获得器件效率（PCE）达4.29%。 （4）通过设计反型结构ITO/ZnO-NWs/P3HT:PCBM/HMDS/PEDOT:PSS/Ag和FTO/TiO_2/P3HT:PCBM/HMDS/PEDOT:PSS/Ag两种类型器件，采用P3HT种子层诱导UP-SIDE-DONE(USD)方法制备光敏层，考察该光敏层结构与反型器件的匹配效果。实验发现，种子层诱导UP-SIDE-DONE(USD)方法制备光敏层的反型结构器件具有较好的短路J_(sc)为11.51mA/cm~2，最终获得器件效率（PCE）达3.87%。 【关键词】：有机光伏器件 种子层诱导 纳米相结构 体异质结
【学位授予单位】：河南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-15
• 1.1 引言11-12
• 1.2 现今突出存在的能源问题12
• 1.3 可持续和清洁的太阳能12
• 1.4 光伏电池的种类12-13
• 1.5 有机光伏电池发展历史13-15
• 第二章 有机光伏电池的工作原理和性能测试15-29
• 2.1 有机光伏电池的工作原理15-16
• 2.2 有机光伏电池的等效电路16-17
• 2.3 有机光伏电池的器件结构17-18
• 2.3.1 单层结构器件17
• 2.3.2 双层结构器件17
• 2.3.3 体异质结结构器件17-18
• 2.4 有机光伏电池的光伏特性表征和测量系统18-21
• 2.5 有机光伏电池制备与表征主要仪器设备21-26
• 2.5.1 三联装手套箱蒸镀系统21-22
• 2.5.2 光伏电池 I-V 特性的测试系统22
• 2.5.3 光谱响应特性的测量系统22-23
• 2.5.4 扫描探针显微镜系统23-24
• 2.5.5 紫外-可见光分光光度计24-25
• 2.5.6 SEM表征25
• 2.5.7 其它测试方法25-26
• 2.6 有机光伏电池的存在的问题以及本论文的设计思路26-29
• 第三章 基于 P3HT:PCBM 体系传统异质结器件的制备29-35
• 3.1 引言29
• 3.2 实验部分29-31
• 3.2.1 药品与材料29
• 3.2.2 仪器与设备29-30
• 3.2.3 器件制备工艺30-31
• 3.3 器件性能测试31
• 3.4 实验结果与讨论31-34
• 3.4.1 光伏器件的 I-V 特性曲线32-33
• 3.4.2 内、外量子效率分析33-34
• 3.5 小结34-35
• 第四章 溶剂效应和退火工艺对有机光伏器件性能的影响35-43
• 4.1 引言35
• 4.2 实验部分35-37
• 4.2.1 药品与材料35
• 4.2.2 实验所用仪器35-36
• 4.2.3 器件制备工艺36-37
• 4.3 器件测试与表征37-38
• 4.4 实验结果与讨论38-42
• 4.4.1 器件的伏安特性曲线38-40
• 4.4.2 器件 SEM 断面和表面微区分析40
• 4.4.3 器件 AFM 微区分析40-41
• 4.4.4 紫外可见光谱分析41-42
• 4.5 小结42-43
• 第五章 基于 P3HT:PCBM 体系的新型高效 P3HT 种子层诱导纳米相结构光伏器件43-53
• 5.1 引言43
• 5.2 实验部分43-46
• 5.2.1 原料与试剂43
• 5.2.2 实验仪器设备43-44
• 5.2.3 器件制备工艺44-46
• 5.3 器件的表征与测试46
• 5.4 实验结果与讨论46-51
• 5.4.1 器件的伏安特性曲线46-48
• 5.4.2 器件的外量子效率分析48-49
• 5.4.3 器件AFM微区分析49-50
• 5.4.4 紫外可见吸收光谱50-51
• 5.5 本章小结51-53
• 第六章 反型结构器件的制备53-61
• 6.1 引言53
• 6.2 实验部分53-57
• 6.2.1 原料与试剂53
• 6.2.2 实验仪器设备53-54
• 6.2.3 器件制备工艺54-57
• 6.3 器件的表征与测试57
• 6.4 实验结果与讨论57-59
• 6.4.1 SEM 表面形貌表征57-58
• 6.4.2 器件的伏安特性曲线58-59
• 6.5 本章小结59-61
• 第七章 全文总结与展望61-63
• 7.1 全文总结61-62
• 7.2 展望62-63
• 参考文献63-67
• 致谢67-69
• 攻读学位期间发表的学术论文目录69-70

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