溶液法对阳极界面修饰提高聚合物太阳能电池性能的研究

【摘要】：有机太阳能电池因其成本低,易加工,柔性可卷曲等优点得到了广泛关注。虽然目前部分聚合物太阳能电池的效率已超过10%,但是距离商业化生产仍存在较大改进空间。界面修饰作为提高电池效率的重要环节是目前研究的热点。本文使用V2O5、DNA等纳米材料制作了新型阳极缓冲材料并对其修饰效果和作用机理进行了研究。本文采用溶液法制备缓冲层对聚合物太阳能电池阳极进行修饰,分别采用V2O5纳米线,Pb S量子点,DNA-CTMA三种不同类型的材料对阳极进行修饰。首先使用无机材料部分取代PEDOT:PSS,然后使用有机材料部分取代,最终达到使用有机环保材料完全取代PEDOT:PSS的目的。讨论了几种材料对于电池阳极空穴传导,光吸收的提高,从而提高电池性能的机理。并且探究合适的材料取代PEDOT:PSS作为阳极缓冲层材料,最终使用PSS掺杂DNA-CTMA,达到了与PEDOT:PSS作为缓冲层相当的效果,为未来新型缓冲层材料的开发制备开辟了新的道路。首先使用V2O5纳米线无机材料部分取代PEDOT:PSS,制备了一种新型的PEDOT:PSS/V2O5纳米线缓冲层。实验设计电池结构为ITO/PEDOT:PSS/V2O5/P3H T:PCBM/Al。使用一层V2O5纳米线层旋涂在PEDOT:PSS之上,制成双层混合缓冲层。相比以PEDOT:PSS作为缓冲层的器件,双层混合缓冲层的加入,聚合物太阳能电池的PCE提高了14.10%。与V2O5粉末作为缓冲层的器件相比,混合缓冲层器件PCE提高了30.40%。PCE的提高主要来自于短路电流的提高。实验结果表明,V2O5纳米线的缓冲层不仅增加了电荷传输速率,而且通过增强入射光的反射与折射,提高了活性层的光吸收。并且V2O5纳米线的加入提高了器件的稳定性。在今后的研究中,可以继续研究其他纳米线材料在聚合物太阳能电池中的制绒效果。V2O5纳米线的加入起到了很好的效果,但是在大量报道中,量子点也可以起到很好的阳极修饰效果,作为不同形貌结构的材料,失去了制绒效果,也能起到很好的阳极修饰作用。于是制备了Pb S量子点,分别使用油酸(OA)和辛胺(OCA)作为配体,观察不同配体量子点的微观形貌和光吸收谱。并使用量子点修饰太阳能电池ITO阳极和活性层。Pb S量子点掺入P3HT:PCBM体系后,可吸收整个可见光,还能拓展对红外吸收;另外硫化铅量子点掺入该体系后,Pb S量子点与P3HT、PCBM、Al这三种材料的界面处都会形成内建电场,从而使吸收了光的硫化铅量子点产生的激子能够更有效的解离。同时,在ITO与PEDOT:PSS之间增加一层量子点缓冲层。Pb S的PH在7.4左右,相比PEDOT:PSS(PH在1.4左右)旋涂在ITO表面能够更好得保护电极,并且使得电极表面更加平整。结构为ITO/Pb SQDs/PEDOT:PSS/P3HT,PCBM,Pb SQDs/Al,相比不加量子点的传统电池,PCE提高了30.40%,Voc提高了4.76%,Jsc提高了22.55%。与传统器件相比,掺入Pb S量子点的器件在300到700 nm之间的的光吸收略高一些。同样,这种Pb S量子点掺入的电池EQE在500 nm处比PEDOT:PSS缓冲层器件更高。得到一种新型的阳极修饰方式和活性层处理方式。之前的两种材料都起到了很好的阳极修饰和器件性能提高效果,但是V2O5纳米线与Pb S量子点都是人工合成的毒性材料,对人体健康和环境保护都有不好的效果,因此接下来采用了DNA这种生物材料做为新的阳极缓冲层材料。使用全溶液法将deoxyribonucleic acid(DNA)–hexadecyltrimethyl ammonium(CTMA)与poly(3,4-ethylenediox-ythiophene)poly(styrenesulfonate)(PEDOT:PSS)相结合,制备成PEDOT:PSS/DNA-CTMA双层缓冲层,涂覆在ITO和活性层之间。实验设计器件结构为ITO/PEDOT:PSS/DNA-CTMA/P3HT:PCBM/Al,作为阳极缓冲层使用在聚合物太阳能电池中。使用双层bio-organic缓冲层的电池PCE与常用的PEDOT:PSS作为缓冲层的电池PCE相比,提高了13.23%;而与单独的DNA-CTMA作为缓冲层的电池PCE相比,提高了12.42%。PCE的提高主要来自于Jsc的提高。电池光吸收率在300到650 nm区间提高了,EQE在350到550 nm区间也提高了,主要由于DNA的双螺旋结构衍生其独特光子和光学性能。与其它修饰PEDOT:PSS的缓冲层材料相比,DNA-CTMA是一种经济适用并且生物可降解的新型材料,具有很大的潜力。虽然DNA-CTMA与PEDOT:PSS混合缓冲层起到了很好的效果,但是依然不能取代PEDOT:PSS。在(DNA)–cetyltrimethyl ammonium(CTMA)中,掺杂poly(styrene-sulfonate)(PSS)制备成DNA-CTMA:PSS,用来代替PEDOT:PSS,作为一种新型的bio-organic阳极缓冲层材料,应用在全溶液法制备的聚合物有机太阳能电池中,并对其电池特性进行了研究。Voc,Jsc,FF,和PCE,是在100 m W/cm2(AM 1.5)光照下测量。与常用的PEDOT:PSS空穴传导材料相比,DNA-CTMA:PSS这种bio-organic材料作为阳极缓冲层制备的器件Jsc提高了9.20%,PCE提高了0.64%。PCE的增大主要来源于Jsc的增大。EQE在420到570 nm区间范围有明显提高。电池光透率在620到800 nm区间也同样提高,主要由于DNA的双螺旋结构衍生其独特光子和光学性能。除了具有相近的电学性能以外,作为生物可降解和可再生材料,DNA-CTMA:PSS是一种很有前途的替代PEDOT:PSS的聚合物太阳能电池阳极缓冲层材料。最后对本文的工作进行总结,阐述研究工作中还存在的不足之处,并对将来的研究工作提出展望。 【关键词】：聚合物太阳能电池 V2O5 PbS DNA-CTMA 阳极缓冲层
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要6-9
• ABSTRACT9-13
• 1 绪论13-37
• 1.1 太阳能电池研究背景现状13
• 1.2 太阳能电池的工作原理13-14
• 1.3 太阳能电池的主要性能参数14-16
• 1.3.1 等效电路14-15
• 1.3.2 性能参数15-16
• 1.4 太阳能电池的分类16-20
• 1.4.1 无机太阳能电池16-18
• 1.4.2 有机-无机杂化太阳能电池18-19
• 1.4.3 有机太阳能电池19-20
• 1.5 聚合物太阳能电池研究现状20-33
• 1.5.1 PEDOT:PSS21-22
• 1.5.2 阳极缓冲层22-24
• 1.5.3 PEDOT:PSS的优化处理24-27
• 1.5.4 其他有机材料27-30
• 1.5.5 自组装膜30-31
• 1.5.6 无机材料31-33
• 1.6 本论文的主要研究工作33-35
• 1.7 本论文的主要创新点35-37
• 2 电池的制备及测量37-45
• 2.1 聚合物太阳能电池的制备37-41
• 2.2 聚合物太阳能电池光电性能等参数的测量41-45
• 3 双层PEDOT:PSS/V_2O_5纳米线层作为聚合物太阳能电池阳极缓冲层的研究45-59
• 3.1 引言45-46
• 3.2 实验步骤46-49
• 3.3 实验结果与讨论49-57
• 3.3.1 器件结构49-50
• 3.3.2 器件性能50-52
• 3.3.3 双层缓冲层的微观结构52-56
• 3.3.4 V_2O_5纳米线缓冲层器件优化56-57
• 3.4 本章小结57-59
• 4 PbS量子点修饰聚合物太阳能电池阳极和活性层的研究59-71
• 4.1 引言59-60
• 4.2 实验过程60-64
• 4.3 实验结果与讨论64-69
• 4.3.1 器件结构64-65
• 4.3.2 器件性能65-69
• 4.4 本章小结69-71
• 5 PEDOT:PSS/DNA-CTMA双层缓冲层作为聚合物太阳能电池阳极缓冲层的研究71-83
• 5.1 引言71-72
• 5.2 实验步骤72-74
• 5.3 实验结果与讨论74-82
• 5.3.1 器件效果74-79
• 5.3.2 缓冲层的微观结构79-80
• 5.3.3 DNA-CTMA缓冲层膜厚的探究80-82
• 5.4 本章小结82-83
• 6 DNA-CTMA:PSS新型缓冲层作为聚合物太阳能电池阳极缓冲层的研究83-95
• 6.1 引言83-84
• 6.2 实验步骤84-86
• 6.3 实验结果与讨论86-92
• 6.3.1 器件效果86-90
• 6.3.2 缓冲层的微观结构90-92
• 6.4 本章小结92-95
• 7 结论与展望95-97
• 参考文献97-121
• 攻读博士学位期间的科研情况121-123
• 致谢123-124

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