通过界面修饰改善聚合物太阳能电池性能的研究

【摘要】：摘要：本文针对聚合物太阳能电池中常用界面修饰层的不足,通过选取更为合适的材料作为界面修饰层以及采用双层或者叠层结构的界面修饰层,来改善聚合物太阳能电池的性能。 传统的聚合物太阳能电池使用LiF作为阴极界面修饰层。然而,LiF具有电绝缘性,其厚度往往小于2nm。如此薄的LiF不足以保护活性层在蒸镀金属电极时免受高温金属原子的破坏,也不能有效地阻挡氧气和水分子扩散进入活性层。因此,需要采用更厚的阴极修饰层来代替LiF。首先,我们将小分子太阳能电池中的阴极修饰层(Alq3、BCP和Bphen)应用于聚合物太阳能电池中。通过优化这三种小分子材料的厚度,我们发现Bphen作为阴极修饰层(最佳厚度为12nm)的器件呈现最优越的性能,主要归因于Bphen的高电子迁移率以及宽带隙。其次,考虑到LiF可以延缓氧分子扩散进入活性层,我们希望阴极修饰层中包含更多的LiF,同时还不影响修饰层的良好导电性。在引入C60之后,我们发现5nm厚的LiF允许被使用。采用C60/LiF (5nm)作为阴极修饰层的器件呈现最高为3.65%的PCE,预示着C60/LiF (5nm)薄膜具有高的电导率,来源于C60和LiF间所形成的共混形貌。然而,C60/LiF (8nm)作为修饰层的器件呈现非常低的PCE。为了继续增大LiF的厚度,我们采用交替蒸镀的方法制备了C60/LiF叠层。使用五个叠层C60/LiF ((C60/LiF)5)作为阴极修饰层的器件具有最高为3.58%的PCE,相应的FF高达70.2%,更为重要的是其高的效率几乎不受C60和LiF厚度比的影响,意味着整个阴极修饰层中可以包含很厚的LiF,这导致了(C60/LiF)5作为阴极修饰层的器件呈现非常优越的空气稳定性。 PEDOT:PSS是聚合物太阳能电池中普遍使用的阳极界面修饰层。然而,PEDOT:PSS水性分散液呈现高酸性(PH～1),易于腐蚀ITO。于是,我们采用石墨烯氧化物(GO)作为阳极修饰层(或称为空穴传输层,HTL)来代替PEDOT:PSS。高温退火下,GO具有高的电导率,这要归因于GO的含氧官能团被更大程度地去除,从而导致π共轭结构得到更好的恢复。使用高温(230℃)还原的GO作为HTL的器件呈现最高为2.75%的PCE,这一效率与没有HTL的对比器件相比,提高了～26%。 最后,我们将Ag纳米颗粒引入到聚合物太阳能电池中,期望在不增加活性层厚度的前提下,提高其光吸收。然而,我们发现Ag纳米颗粒不仅可以激发局域表面等离子体共振(LSPR),产生强烈的局域电磁场,而且还会诱导激子猝灭,导致器件并联电阻(Rsh)的降低。为了减小激子猝灭的几率,同时尽可能地发挥Ag纳米颗粒的LSPR效应,我们将Ag纳米立方体(Ag NCs)掺入PEDOT:PSS HTL中,并且控制PEDOT:Ag复合薄膜的厚度,使其近似等于Ag NCs的平均尺寸。使用PEDOT:Ag作为HTL的器件与纯PEDOT:PSS作为HTL的器件相比具有更高的Jsc和PCE,主要归功于Ag NCs激发LSPR所引起的活性层吸收增强。此外,我们将Ag纳米片(AgNPs)引入到P3HT:PCBM太阳能电池中,发现器件的Jsc并没有明显增加,这是由于P3HT:PCBM的吸收峰(～500nm)与AgNPs的共振峰(603nm)不匹配造成的。 【关键词】：聚合物太阳能电池 界面修饰层 小分子材料 C60/LiF双层 C60/LiF叠层 热还原石墨烯氧化物 Ag纳米颗粒
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 致谢5-6
• 中文摘要6-8
• ABSTRACT8-10
• 序10-15
• 1 引言15-39
• 1.1 有机太阳能电池的发展历史及研究现状15-18
• 1.2 有机太阳能电池的光-电转换过程18-28
• 1.2.1 光吸收和激子产生19-20
• 1.2.2 激子扩散和解离20-21
• 1.2.3 电荷转移复合物的分离21-23
• 1.2.4 电荷载流子的传输23-25
• 1.2.5 电荷载流子的复合25-27
• 1.2.6 电荷载流子的输出27-28
• 1.3 有机太阳能电池的主要性能参数28-31
• 1.3.1 开路电压29-30
• 1.3.2 短路电流30-31
• 1.3.3 填充因子31
• 1.4 界面修饰层在有机太阳能电池中的作用31-33
• 1.4.1 调节电极功函数32
• 1.4.2 光学缓冲层32-33
• 1.4.3 保护活性层33
• 1.4.4 选择性阻挡载流子和激子阻挡层33
• 1.5 聚合物太阳能电池的制备、所用材料及测试手段33-36
• 1.5.1 MEH-PPV：PCBM体异质结太阳能电池的制备33-34
• 1.5.2 P3HT：PCBM体异质结太阳能电池的制备34
• 1.5.3 聚合物太阳能电池的代表性材料34-35
• 1.5.4 主要测试手段及方法35-36
• 1.6 本论文主要研究内容36-39
• 2 有机小分子阴极修饰层对聚合物太阳能电池性能的影响39-55
• 2.1 Alq_3对于MEH-PPV：PCBM聚合物太阳能电池性能的影响39-46
• 2.1.1 Alq_3掺入MEH-PPV：PCBM中增加活性层的光吸收39-44
• 2.1.2 Alq_3作为阴极修饰层改善器件性能44-45
• 2.1.3 Alq_3既掺入MEH-PPV：PCBM中又作为阴极修饰层的器件45-46
• 2.2 BCP和Bphen作为阴极修饰层改善聚合物太阳能电池的性能46-53
• 2.2.1 使用BCP作为阴极界面修饰层48-49
• 2.2.2 使用Bphen作为阴极界面修饰层49-50
• 2.2.3 BCP和Bphen作为阴极修饰层的比较50-52
• 2.2.4 小分子材料和传统LiF作为阴极修饰层的比较52-53
• 2.3 本章小结53-55
• 3 C_(60)/LiF双层以及叠层用作聚合物太阳能电池的阴极修饰层55-79
• 3.1 C_(60)/LiF双层作为阴极界面修饰层改善器件性能55-66
• 3.1.1 引入C_(60)后,厚的LiF允许被使用的原因55-60
• 3.1.2 引入C_(60)后,短路电流密度增加的原因60-63
• 3.1.3 C_(60)/LiF(8nm)修饰层具有低电导率的原因63-64
• 3.1.4 LiF/C_(60)作为阴极修饰层的器件呈现低性能的原因64-66
• 3.2 C_(60)/LiF叠层作为阴极界面修饰层改善器件效率和稳定性66-77
• 3.2.1 优化C_(60)和LiF的厚度比,以获得最佳的器件性能66-68
• 3.2.2 C_(60)/LiF叠层作为阴极修饰层的器件具有更高效率的原因68-72
• 3.2.3 C_(60)/LiF叠层的光学缓冲作用72-74
• 3.2.4 C_(60)/LiF叠层提高聚合物太阳能电池的空气稳定性74-75
• 3.2.5 C_(60)/LiF叠层应用于低带隙聚合物太阳能电池75-77
• 3.3 本章小结77-79
• 4 优化热还原石墨烯氧化物以用作有效的阳极界面修饰层79-93
• 4.1 热还原GO的制备和表征79-81
• 4.2 退火温度对热还原GO作为阳极修饰层器件性能的影响81-86
• 4.3 优化GO分散液的浓度和旋涂速率86-91
• 4.4 本章小结91-93
• 5 Ag纳米颗粒对聚合物太阳能电池性能的影响93-113
• 5.1 金属纳米颗粒的LSPR效应93-94
• 5.2 Ag纳米立方体掺入PEDOT：PSS中增加器件的效率94-103
• 5.2.1 Ag纳米立方体的表征95-96
• 5.2.2 Ag纳米立方体对CuPc/C_(60)太阳能电池性能的影响96-97
• 5.2.3 引入Ag纳米立方体提高聚合物太阳能电池的效率97-103
• 5.3 Ag纳米片对聚合物太阳能电池性能的影响103-110
• 5.3.1 三角形Ag纳米片的表征104-105
• 5.3.2 Ag纳米片对P3HT：PCBM太阳能电池性能的影响105-108
• 5.3.3 Ag纳米片对低带隙聚合物太阳能电池性能的影响108-110
• 5.4 本章小结110-113
• 6 结论113-115
• 参考文献115-125
• 作者简历125-129
• 学位论文数据集129

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