金属/聚合物界面结构及其与聚合物太阳能电池性能的联系

【摘要】：聚合物太阳能电池由于具有制备工艺简单、质量轻、成本低、易制成大面积柔性器件等优势,成为目前太阳能电池研究领域的热点。近些年来,聚合物太阳能电池的研究取得了很大的进展。但是,现阶段的聚合物太阳能电池仍然存在效率低和稳定性差的问题,导致难以推广使用,因此如何提器件的高能量转化效率和稳定性是实现商业化应用的关键。在这些器件中,通常应用低功函数金属作为器件的阴极收集来自活性层的电子。在器件制备时,通过热蒸发的方式沉积在有机活性层表面的金属电极不仅会扩散进入聚合物薄膜内部,还会与聚合物材料发生强烈的化学相互作用。此外,金属电极与聚合物之间的界面性质亦会对聚合物太阳能电池中激子分离、传输、收集和复合等过程产生重大的影响,最终影响到电池的能量转化效率和稳定性。因此,深入地了解金属/聚合物间的界面性质和精确地调控界面结构是制备高性能的聚合物太阳能电池的关键。 基于以上研究背景,本论文从金属/聚合物界面入手,通过多种表面分析方法原位研究了金属/聚合物的界面结构及其与聚合物太阳电池性能的联系：利用X射线光电子能谱(XPS)、真空紫外光电子能谱(UPS)、高分辨率的同步辐射光电子能谱(SRPES)、近边X射线吸收精细结构谱(NEXAFS)、吸附量热和粘附几率测量方法对金属在聚合物界面处的化学反应和扩散情况进行了详细地研究；通过低温沉积的的方法对金属/聚合物的界面结构进行了调控；利用瞬态光伏(TPV)和载流子提取法(CE)研究了金属电极对聚合物太阳能电池中的载流子寿命、浓度和复合速率的影响。这些研究结果将器件中的界面性质和器件的性能联系在一起,为进一步提高器件性能提供了指导。本论文的主要开展了如下的工作： (1)选用目前广泛应用于工业生产中的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和在聚合物太阳能电池中常用作电极的金属Ca作为金属/聚合物界面研究的模型体系。通过XPS和NEXAFS详细地研究了室温条件下金属/聚合物界面处的化学反应情况。O1s,C1s,和Ca2p芯能级谱图随着Ca沉积量增加发生了显著的变化,这一现象直接地表明了在低覆盖度时,金属Ca优先与PMMA分子中的酯基发生化学反应,并伴随着C-O键的断裂失去甲基而生成羧酸盐。O的K边NEXAFS谱图的变化情况进一步明确了PMMA分子中的酯基作为反应活性位与金属Ca反应。在本实验中,XPS和NEXAFS的实验结果互相印证,并结合吸附量热结果清楚地确立了Ca与PMMA的反应机制。 (2)通过低温沉积的方法对金属/聚合物界面的化学反应和扩散深度进行了调控。我们利用吸附量热技术、粘附几率测量方法以及XPS研究了低温沉积对Ca/PMMA界面结构的影响。研究发现在低温条件下(90K),Ca在PMMA上的扩散深度明显减小,而且化学反应程度显著减弱。在300K时,界面反应深度为2.5nm(5.4个分子层),然而在90K时,界面反应深度小于0.3nm(0.6个分子层)。因此,低温沉积的方法可以有效地抑制化学反应并减弱扩散深度,从而得到“平直”的界面。我们认为低温沉积方法可以应用于聚合物太阳能电池中实现对金属电极/聚合物界面结构的精确调控。 (3)我们分别以Ca/Al和Al作为电极制备了基于PCDTBT (poly[N-9"-hepta-decanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)])和PC70BM ([6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester)的体相异质结聚合物太阳能电池。与单纯以Al为电极的器件相比,基于Ca/Al电极的器件的开路电压(Voc)、短路电流(JSC)、填充因子(FF)以及能量转化效率(PCE)均有明显的提高。为了理解金属电极是如何影响器件的性能,我们利用TPV、CE和SRPES分别对Ca/PCDTBT和Al/PCDTBT的界面进行了细致的研究。通过TPV和CE测量了器件中的载流子寿命和浓度,发现相比于以Al为电极的器件,以Ca/Al为电极的器件的载流子复合速率常数要小很多。通过高分辨率的SRPES研究了金属电极/PCDTBT界面的化学反应和能带结构,研究发现在Ca/PCDTBT界面产生较强的界面偶极,从而有利于电子从PCDTBT传输到电极,同时排斥空穴使其远离电极／活性层的界面。因此,金属Ca电极在聚合物界面通过偶极作用降低了器件中的载流子复合速率常数,从而提高了器件的性能。 【关键词】：金属/聚合物界面 聚合物太阳能电池 同步辐射光电子能谱 近边X射线吸收精细结构 吸附量热 瞬态光伏 载流子寿命和密度 载流子复合
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第1章 绪论13-49
• 1.1 引言13-15
• 1.2 聚合物太阳能电池的发展历程15-17
• 1.3 聚合物太阳能电池的器件结构17-19
• 1.4 聚合物太阳能电池材料的发展19-22
• 1.5 聚合物太阳能电池的工作机理22-24
• 1.6 聚合物太阳能电池的性能表征24-27
• 1.7 聚合物太阳能电池的界面研究27-37
• 1.7.1 界面扩散27-30
• 1.7.2 界面化学反应30-32
• 1.7.3 界面修饰32-35
• 1.7.4 界面载流子复合35-37
• 1.8 选题背景和研究内容37-39
• 参考文献39-49
• 第2章 实验方法与原理49-69
• 2.1 引言49
• 2.2 同步辐射基本原理49-50
• 2.3 光电子能谱的基本原理与方法50-54
• 2.3.1 光电子能谱的基本原理50-52
• 2.3.2 XPS、UPS和SRPES简介52-54
• 2.4 NEXAFS基本原理及实验方法54-58
• 2.4.1 NEXAFS的产生机理54-55
• 2.4.2 角分辨NEXAFS55-57
• 2.4.3 NEXAFS的实验方法57-58
• 2.5 吸附量热技术58-60
• 2.5.1 吸附量热技术的发展58
• 2.5.2 吸附量热技术的原理58-60
• 2.6 原子力显微镜60
• 2.7 实验装置介绍60-66
• 参考文献66-69
• 第3章 Ca/PMMA界面相互作用的研究69-85
• 3.1 引言69-71
• 3.2 实验部分71-72
• 3.2.1 PMMA薄膜样品的制备71-72
• 3.2.2 Ca/PMMA界面的测量72
• 3.3 结果与讨论72-80
• 3.3.1 清洁PMMA薄膜研究72-74
• 3.3.2 Ca/PMMA界面研究74-80
• 3.4 本章小结80-81
• 参考文献81-85
• 第4章 Ca/PMMA界面的温度调控研究85-103
• 4.1 引言85-86
• 4.2 实验部分86-88
• 4.3 实验结果88-94
• 4.3.1 粘附几率的测量88-89
• 4.3.2 吸附量热的测量89-91
• 4.3.3 光电子能谱的测量91-94
• 4.4 讨论部分94-98
• 4.5 本章小结98-99
• 参考文献99-103
• 第5章 电极/PCDTBT的界面研究103-127
• 5.1 引言103-104
• 5.2 实验部分104-107
• 5.2.1 聚合物太阳能电池的制备104-107
• 5.2.2 聚合物太阳能电池的性能测试107
• 5.2.3 角分辨NEXAFS107
• 5.2.4 同步辐射光电子能谱107
• 5.3 瞬态光伏测试技术107-111
• 5.3.1 瞬态光伏的基本原理108-109
• 5.3.2 瞬态光伏设备的搭建109-111
• 5.3.3 数据处理111
• 5.4 实验结果与讨论111-120
• 5.4.1 PCDTBT分子取向111-113
• 5.4.2 器件性能113-114
• 5.4.3 载流子复合速率常数的测量114-116
• 5.4.4 电极/PCDTBT界面相互作用116-118
• 5.4.5 能带结构118-120
• 5.5 本章小结120-122
• 参考文献122-127
• 第6章 总结和展望127-129
• 6.1 总结127
• 6.2 展望127-129
• 致谢129-131
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果131-132

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

聚合物-富勒烯太阳能电池器件物理研究进展    刘震;徐丰;严大东;

The effect of DIO additive on performance improvement of polymer solar cells    Jian Wang;Chaoqun Jiao;Hui Huang;Fujun Zhang;

滚动压印装置研制与压印填充模拟    叶回春;沈连婠;李木军;

基于硅纳米线阵列的有机/无机杂化光伏电池的制备及性能表征研究    申小娟

喷涂法制备聚合物太阳能电池器件研究    陈征

有机—无机杂化光伏电池中的界面效应及调控研究    张付特

吡嗪聚合物和卟啉小分子的合成及其光伏性能研究    秦红梅

一维壳核式复合半导体杂化敏化太阳能电池的研究    孙宝

聚合物光伏器件形貌特性、性能及稳定性研究    陆运章

基于新型咔唑结构共聚物的设计合成及其光伏性能研究    查代君

苯并稠杂环类聚合物太阳能电池材料的性能研究    刘波

电子的注入与传输对有机光电子器件性能的影响    李青

用于有机太阳能电池共轭聚合物的设计合成及其计算模拟    吴飞燕

本体异质结有机太阳能电池的数值模拟    刘伟

多支链含给—受体结构的共轭铂（Ⅱ）芳香炔配合物的合成及其非线性光学性质研究    黄招辉

有机太阳能电池的电极调控    杨彬彬

N，N-二苯腙类染料和二茚并吡嗪类共轭聚合物的合成及其光伏性质的研究    刘新平

基于喹噁啉的星状有机光伏材料的合成及其性能研究    崔娇娇

含D-A卟啉的聚合物和三苯胺类有机染料的合成及光伏性能研究    邓利军

银基透明导电薄膜及其在有机太阳能电池中的应用    周琳

基于三氮唑的D-A型共轭聚合物的合成及光伏性能研究    李新炜

基于传输矩阵法的有机太阳能电池光学性能分析    李祥

复合机制对有机太阳能电池性能的影响    周帅

世界包装之新    

聚合物薄膜厚度和极化工艺对二次谐波的影响    吕仕智,曹庄琪,王峰,沈启舜,杨艳芳

聚合物对水泥砂浆性能的影响研究    宋艳春;

红光染料掺杂聚合物薄膜的放大自发发射特性    卢鹉;郭文滨;钟波;马东阁;

制膜工艺对聚合物太阳电池性能影响的研究    徐苗;彭俊彪;

聚合物薄膜耐放电性比较(摘要)    蔡小平;高璇;李静一;

PT-PEK-c电光聚合物薄膜的厚度和介电性质    任诠,王志刚,郭世义,许东,尚淑霞

薄膜光学理论与膜系设计    

椭偏法测试聚合物薄膜折射率的研究    周建华,游佰强,陈振兴,肖磊,王静

染料聚合物薄膜辐射光谱    林文学;刘劲松;

电化学聚合制备高性能光电功能聚合物薄膜    马於光;

用掠入射X射线衍射表征共轭聚合物薄膜的真实微结构    张吉东;陈刘然;王鹏月;莫志深;谢志元;王利祥;

纳米银颗粒局域表面等离子体效应在聚合物光子学中的应用    张斗国;王沛;焦小瑾;周京利;孙友谊;苑光辉;邓燕;孙晓红;章江英;曹立;张其锦;明海;张泽渤;

聚合物发光二极管聚合物薄膜中空穴(电子)的产生和输运    彭景翠;瞿述;李宏建;许雪梅;罗小华;成奋强;

聚合物薄膜平面波导的光传输模式和光传输损耗    史伟;房昌水;潘奇伟;顾庆天;吴祥雯;魏红振;余金中;

窄带隙聚异靛衍生物的合成及其光伏性能研究    刘波;邹应萍;贺跃辉;

光学质量电光聚合物薄膜的制备及其电光调制性能    郝聚民;邱玲;沈玉全;杨艳芳;沈启舜;曹庄琪;韩梅娟;朱传凤;万立骏;

基于“氢键巨簇”现象原位聚合制备聚合物薄膜    张莉;栗原和枝;

聚合物物理老化热动力学模型    贺耀龙;胡宏玖;张俊乾;李达开;朱文书;周沙叙;赵峰;

层状组装聚合物薄膜的室温纳米压印    卢迎习;孙俊奇;吕男;沈家骢;

聚合物薄膜修复破裂血管    梓桦

“隐形”有望成真    丁小希

光通信开创真正的宽带时代    本报编辑部编译

聚合物电极材料成功应用于电容器    高飞

美开发出可快速干燥新型聚合物    冯卫东

师道传承 探索化学真谛    记者 程曦

美国《大众科学》关注全球七大创新工程    

泰企业进军生物包装市场    牛力

直接甲醇燃料电池（DMFC）的剖析    山东 苗本秀

“大气卫星”抢占卫星市场    叶歆

基于微型生物反应器的聚合物荧光传感膜及双光子非线性材料的研究    沈梁钧

介电高弹聚合物力电行为研究与器件设计    李铁风

苯并稠杂环类聚合物太阳能电池材料的性能研究    刘波

含氮芳杂环类窄带隙给体聚合物及本体异质结太阳电池    张斌

含磷酰胆碱功能基团聚合物的制备与生物相容性研究    李琳

基于双电光分子聚合物薄膜器件的THz时域谱系统的研制与介电谱测量    蒋强

多元氢键自组装热回复性超分子聚合物的合成与研究    陈玉洁

新型窄带隙聚合物太阳电池给体材料的设计合成与应用    王明

金属/聚合物界面结构及其与聚合物太阳能电池性能的联系    鞠焕鑫

含S，S-二氧—二苯并噻吩单元的聚合物的合成与光电性能的研究    刘杰

螺噁嗪掺杂的聚合物薄膜光存储性质的研究    付申成

苯并噻二唑—苯胺—芴类聚合物的合成和发光性能研究    魏彩红

溶剂诱导SBS聚合物薄膜去润湿机理的研究    阎长江

聚合物薄膜的受激辐射特性研究    高瑞

翠绿亚胺聚合物高压下芳环扭角和能隙的缩减    曹建勇

弹性聚合物薄膜的力电大变形及失效模式分析    陈程

含芴和噻吩的共聚物有序薄膜的制备及光电性能研究    郭亚男

聚合物太阳能电池材料的设计合成与性能研究    徐军

氟原子对聚合物光伏给体材料性能的影响    余顺铨

介电高弹聚合物力电耦合性能测试研究    郦科