活性层掺杂及阴极修饰在聚合物太阳能电池中的应用

【摘要】：本论文围绕聚3-己基噻吩：富勒烯(P3HT:PCBM)体系太阳能电池展开研究,主要内容分为三个部分：首先系统地研究了多环芳香烃小分子掺杂在聚合物光伏活性层中的作用,接着将石墨炔引入到器件中,探讨了其在聚合物光伏器件中的应用；最后采用不同有机小分子作阴极修饰层,并对比分析了其对光伏器件性能的影响。 1.系统地研究了四种多环芳香烃分子(并五苯、二萘嵌苯、菲、嵌二萘)以不同的比例掺杂在P3HT:PCBM活性层中对器件性能产生的作用。掺杂比例范围选择在0%-1.5%。结果表明,多环芳香烃分子在掺杂活性层之后,对器件的短路电流(Jsc)有明显影响,对开路电压(Voc)和填充因子(FF)影响相对较小。在掺杂比例较小时(小于1%)对活性层薄膜的形貌影响很小,薄膜粗糙度仅有微小改变。通过对比分析材料的能级结构,发现当掺杂分子的能级与给、受体材料能级匹配时,适当的掺杂比例有利于光生激子在活性层中解离效率的提高,从而提高了器件性能。 2.将石墨炔引入到聚合物活性层中,当石墨炔作为受体材料与给体材料P3HT形成混合异质结时,没有发现明显的光电响应。当其作为掺杂剂加入到P3HT:PCBM活性层中时,通过改变不同的掺杂比例,器件的Jsc可以有较大提高。这是由于石墨炔稳定的二维结构及良好的半导体特性有利于在P3HT:PCBM网络中形成良好的电荷收集和传输通道,增强了载流子向电极的传输,从而提高了器件的短路电流。 3.将具有电子传输特性的有机小分子材料(PBD、Alq3、Zn(BTZ)2)作为阴极修饰薄层引入到聚合物光伏器件中,并对上述三种小分子作阴极修饰进行对比研究。通过分析阴极修饰器件的电压-电流曲线、能级结构、暗电流,发现小分子阴极修饰可以使得器件的内建电场增大,从而提高器件Voc,而过厚的阴极修饰层会使电子和空穴在小分子层中重新复合使短路电流下降。 【关键词】：有机太阳能电池 多环芳香烃分子 石墨炔 掺杂 阴极修饰
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 致谢5-6
• 中文摘要6-7
• ABSTRACT7-9
• 序9-13
• 1 引言13-35
• 1.1 有机太阳能电池的研究背景13-15
• 1.2 有机太阳能电池的结构及基本工作原理15-20
• 1.2.1 单层结构15-16
• 1.2.2 双层结构16
• 1.2.3 体异质结结构16-17
• 1.2.4 聚合物太阳能电池的工作原理17-20
• 1.3 有机太阳能电池材料20-24
• 1.3.1 有机小分子材料20-22
• 1.3.2 聚合物材料22-23
• 1.3.3 电极材料23-24
• 1.4 太阳能电池主要参数24-28
• 1.4.1 短路电流25
• 1.4.2 开路电压25-26
• 1.4.3 填充因子26-27
• 1.4.4 能量转化效率27
• 1.4.5 外量子效率27-28
• 1.5 有机太阳能电池性能的测量方法28-30
• 1.5.1 电流-电压特性曲线的测量28-29
• 1.5.2 紫外-可见光吸收光谱的测量29
• 1.5.3 光谱响应特性的测量29-30
• 1.6 有机聚合物太阳能电池的制备30-32
• 1.6.1 ITO导电玻璃的清洗和处理30-31
• 1.6.2 有机功能层的制备31-32
• 1.6.3 阴极的制备32
• 1.6.4 后期处理32
• 1.7 有机/无机材料掺杂活性层在聚合物光伏电池中的应用32-33
• 1.8 本论文的主要工作33-35
• 2 多环芳香烃分子掺杂在聚合物光伏器件中的研究35-65
• 2.1 引言35
• 2.2 并五苯(Pentacene)掺杂活性层35-42
• 2.2.1 样品制备及性能测试35-37
• 2.2.2 器件性能分析37-42
• 2.3 二萘嵌苯(Perylene)掺杂活性层42-49
• 2.3.1 样品制备及性能测试43-44
• 2.3.2 器件性能分析44-49
• 2.4 菲(Phenanthrene)掺杂49-56
• 2.4.1 样品制备及性能测试49-51
• 2.4.2 结果与讨论51-56
• 2.5 嵌二萘(pyrene)掺杂56-63
• 2.5.1 样品制备及性能测试56-58
• 2.5.2 结果与讨论58-63
• 2.6 本章小结63-65
• 3 石墨炔掺杂在聚合物光伏电池中的研究65-75
• 3.1 引言65-66
• 3.2 石墨炔掺杂活性层66-71
• 3.2.1 石墨炔的合成66
• 3.2.2 器件的制备及测试66-67
• 3.2.3 结果与讨论67-71
• 3.3 不同退火温度对石墨炔掺杂器件性能的影响71-73
• 3.3.1 器件制备及测试71-72
• 3.3.2 结果与讨论72-73
• 3.4 本章小结73-75
• 4 有机小分子阴极修饰层对聚合物光伏器件的影响75-87
• 4.1 引言75
• 4.2 PBD阴极修饰对器件性能的影响75-79
• 4.2.1 实验75-77
• 4.2.2 结果与讨论77-79
• 4.3 Alq_3阴极修饰对器件性能的影响79-81
• 4.3.1 实验79-80
• 4.3.2 结果与讨论80-81
• 4.4 Zn(BTZ)_2阴极修饰对器件开路电压的提高作用81-82
• 4.4.1 实验81-82
• 4.4.2 结果与讨论82
• 4.5 PBD、Alq_3和Zn(BTZ)_2阴极修饰对器件性能影响对比82-85
• 4.6 本章小结85-87
• 5 结论87-89
• 参考文献89-97
• 作者简历97-100
• 学位论文数据集100

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