基于聚（3-已基噻吩）的正向、倒置和叠层聚合物太阳能电池的研究

【摘要】：聚合物太阳能电池具有制备成本低、工艺简单、器件轻薄以及可柔性制备等优点而受到了广泛研究。本论文主要制备和优化了基于P3HT不同结构的聚合物光伏器件,包括正向的、倒置的和叠层的聚合物光伏器件。主要结果如下： 1.以聚(3-己基噻吩)(P3HT)为电子给体、以PCBM为电子受体,制备了FTO/MoO3/P3HT:PCBM/Al的正向结构的聚合物光伏器件。通过优化P3HT:PCBM活性层的热退火时间(t=0、2、5、10和15min)来提高P3HT的结晶度和避免活性层过剧的相分离,从而提高光伏器件的性能。在AM1.5G,100mW/cm2的光照下,开路电压(V_(oc))为0.56V,短路电流(J_(sc))为10.53mA/cm2,填充因子(FF)为61.0%,能量转换效率(PCE)为3.60%。 2.以茚双加成C_(70)的衍生物IC70BA为电子受体,以P3HT为电子给体,制备了结构为ITO/Mo03/P3HT:IC7oBA/Ca/Al的正向聚合物太阳能电池。通过改变P3HT:IC70BA溶液的旋涂时间(t_s=20、25、30、35、40和45s)来控制活性层的溶剂退火时间(t_a=60、50、30、16、6和1min),从而提高基于P3HT:IC70BA的光伏器件的性能。在AM1.5G,100mW/cm2光照下,优化的电池的V_(oc)为0.85V,J_(sc)为10.61mA/cm2, FF为74.1%,PCE为6.68%。其中,74.1%的填充因子和6.68%的能量转换效率均为基于P3HT的聚合物光伏器件所报道的最高值之一。 3.通过低温水热法合成了Al掺杂的ZnO (AZO)的纳米结构。通过改变A1掺杂浓度,可以稳定地控制AZO纳米结构的电导率和表面形貌。我们研究了AZO的电导率和表面形貌对FTO/ZnO/AZ0/P3HT:PCBM/MoO3/Al的倒置结构光伏器件的性能的影响。实验结果表明,与没有Al掺杂ZnO的倒置光伏器件相比较,AZO的倒置光伏器件的转换效率提高了58.7%,这归因于AZO纳米结构不仅能够提供高导电的通道,这有利于电子的传输,而且表现了较大的比表面积,这有利于激子的分离和载流子的传输。 4.以P3HT为电子给体,以ICBA为电子受体,制备了FTO/TiO2/CsOx/P3HT:ICBA/MoO3/Al的倒置结构的聚合物光伏器件。这种倒置的器件表现5.65%的能量转换效率,分别与传统的基于TiO_2和CsO_x单缓冲层的器件相比较,它的能量转换效率提高了11.4%和11.5%,这主要归因于TiO2/CsOx复合缓冲层能够加强电子收集能力和抑制漏电流能力。另外,考虑到这种复合的缓冲层是否具有普遍性的意义,我们又制备了基于P3HT:PCBM倒置聚合物光伏器件,实验发现TiO2/CsOx复合的缓冲层所对应的光伏器件表现了最高的能量转换效率,PCE=3.76%。 5.我们报道了基于P3HT:PCBM和PDPPTPT:PCBM活性层的叠层聚合物太阳能电池。上下活性层通过Ca (1nm)/Ag (1nm)/MoO3(10nm)中间层连接。实验发现,在提高器件性能方面上,Ca/Ag/MoO3中间层要优于Ca (1nm)/Al (1nm)/MoO3(10nm)中间层。制备的叠层聚合物光伏电池具有300-850nm的吸光范围,在AM1.5G,100mW/cm2光照下,优化的叠层聚合物光伏器件表现了4.50%的能量转换效率。与单活性层的聚合物光伏器件相比较,它的能量转换效率提高了25.0%。 【关键词】：聚合物太阳能电池 热退火 溶剂退火 阴极缓冲层 叠层 P3HT IC_(70)BA
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 论文创新点5-7
• 摘要7-9
• Abstract9-15
• 引言15-17
• 第一章 绪论17-46
• 1.1 有机(聚合物)太阳能电池的重要发展历程17-19
• 1.2 聚合物太阳能电池的器件结构和组成部分19-25
• 1.2.1 器件结构20-21
• 1.2.2 聚合物太阳能电池的组成部分21-24
• 1.2.3 活性层材料24-25
• 1.3 聚合物太阳能电池的工作原理25-26
• 1.3.1 激子生成25
• 1.3.2 激子扩散和电荷分离25-26
• 1.3.3 载流子传输26
• 1.3.4 载流子被电极收集26
• 1.4 聚合物太阳能电池的制备26-29
• 1.4.1 正向结构聚合物太阳能电池的制备26-28
• 1.4.2 倒置结构聚合物太阳能电池的制备28-29
• 1.4.3 叠层结构聚合物太阳能电池的制备29
• 1.5 聚合物太阳能电池的表征29-33
• 1.5.1 聚合物太阳能电池表征的主要仪器设备29-30
• 1.5.2 聚合物太阳能电池光伏性能测试30-33
• 1.6 聚合物太阳能电池的研究进展33-42
• 1.6.1 聚合物太阳能电池的材料研究方面的进展33-39
• 1.6.2 聚合物太阳能电池在器件方面的研究进展39-42
• 1.7 研究内容及意义42-46
• 第二章 P3HT：PCBM聚合物太阳能电池的热退火研究46-54
• 2.1 引言46-47
• 2.2 实验部分47-48
• 2.2.1 材料47
• 2.2.2 仪器与测试方法47
• 2.2.3 器件制备与表征47-48
• 2.3 结果与讨论48-53
• 2.3.1 不同热退火时间对P3HT：PCBM活性层的光吸收度和P3HT的结晶度的影响48-49
• 2.3.2 不同热退火时间对P3HT：PCBM活性层的形貌的影响49-51
• 2.3.3 不同热退火时间对器件光伏性能的影响51-53
• 2.4 实验小结53-54
• 第三章 P3HT：IC70BA聚合物太阳能电池的溶剂退火的研究54-63
• 3.1 引言54-55
• 3.2 实验部分55-56
• 3.2.1 材料55
• 3.2.2 仪器与测试方法55
• 3.2.3 器件制备55-56
• 3.3 结果与讨论56-61
• 3.3.1 溶剂退火对P3HT：IC70BA光伏器件性能的影响56-58
• 3.3.2 不同旋涂时间对活性层的光吸收度和P3HT结晶度的影响58-60
• 3.3.3 溶剂退火对P3HT：IC70BA活性层形貌的影响60-61
• 3.4 实验小结61-63
• 第四章 以掺铝氧化锌纳米结构作为电子选择层的倒置结构聚合物太阳能电池的研究63-71
• 4.1 引言63-64
• 4.2 实验部分64-66
• 4.2.1 材料64
• 4.2.2 仪器与测试方法64
• 4.2.3 器件制备64-66
• 4.3 结果与讨论66-71
• 4.3.1 不同Al掺杂浓度对AZO纳米结构表面形貌的影响66
• 4.3.2 不同厚度的MoO_3对基于P3HT：PCBM倒置光伏器件性能的影响66-67
• 4.3.3 不同Al掺杂浓度对P3HT：PCBM倒置聚合物光伏器件性能的影响67-68
• 4.3.4 不同Al掺杂浓度对AZO纳米结构的电导率的影响68-70
• 4.3.5 实验小结70-71
• 第五章 以TiO_2/CsO_x作为阴极缓冲层的倒置结构聚合物太阳能电池的研究71-80
• 5.1 引言71-72
• 5.2 实验部分72-74
• 5.2.1 材料72
• 5.2.2 仪器与测试方法72-73
• 5.2.3 器件制备73-74
• 5.3 结果与讨论74-79
• 5.3.1 CsOx、TiO_2和TiO_2/CsO_X.薄膜的透射光谱74-75
• 5.3.2 三种不同的阴极缓冲层(CsO_x、TiO_2和TiO_2/CsO_x)在FTO衬底上的表面形貌75-76
• 5.3.3 三种不同的阴极缓冲层对倒置聚合物光伏器件性能的影响76-78
• 5.3.4 三种不同的阴极缓冲层对器件电子迁移率的影响78-79
• 5.4 本章小结79-80
• 第六章 基于P3HT：PC_(61)BM和PDPPDPT：PC_(61)BM的叠层聚合物太阳能电池的研究80-90
• 6.1 引言80-81
• 6.2 实验部分81-83
• 6.2.1 材料81-82
• 6.2.2 仪器与测试方法82
• 6.2.3 器件制备82-83
• 6.3 结果与讨论83-89
• 6.3.1 三种不同的活性层(P3HT：PC_(61)BM, PDPPTPT：PC_(61)BM和P3HT：PC_(61)BM/Ca/Ag/MoO_3/PDPPTPT：PC_(61)BM)的吸收光谱83-84
• 6.3.2 不同的旋涂速度和热退火对PDPPTPT：PC_(61)BM光伏器件性能的影响84-86
• 6.3.3 不同中间层材料对叠层聚合物光伏器件性能的影响86-89
• 6.4 实验小结89-90
• 结论与展望90-93
• 参考文献93-103
• 博士期间发表论文及申请的专利103-105
• 致谢105

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