聚合物体异质结太阳能电池的器件优化及光伏性能研究

【摘要】：随着全球经济发展、人口数量激增,今后全世界能源消费总量将不断提高,而煤、天然气、石油等传统能源消费总量终有一天将会到达极限。能源危机的日益突显,使人类意识到寻找可再生能源的重要性。太阳能作为绿色、环境友好型能源的代表,成为各国学术界和工业界的研究热点。尽管无机硅太阳能电池具有高的光电转换效率,但由于其制造条件苛刻,生产成本高,不易加工及非柔性等缺点限制了其大规模民用化进程。而以聚合物材料为活性层的聚合物体异质结太阳能电池具有材料来源广、成本低、柔性、可大面积器件及制备工艺简单等特点而被人们广泛关注。 聚合物体异质结太阳能电池器件性能与活性层给体材料的能级结构、带隙、对光的吸收、成膜性、分子量、载流子迁移率密切相关,此外还与如活性层复合薄膜表面形貌、活性层与电极的界面接触等器件优化过程密不可分。本论文主要围绕研究上述影响因素与聚合物体异质结太阳能电池器件性能的关系并以此展开工作。通过选择窄带隙宽吸收的共轭聚合物作为给体材料增加其对入射光的俘获,考察其分子结构与器件性能之间的关系；通过对器件活性层和电极界面进行修饰和采用不同溶剂、不同给受体掺杂比例、不同活性层厚度成膜等方法对器件进行优化并研究其与器件性能之间的关系；使用具有表面等离子体增强吸收效应的银圆盘纳米晶对阳极进行修饰,并以提高器件对光的捕获；论文的详细内容如下： 1.在论文的引言部分详细对聚合物体异质结太阳能电池进行综述：包括研究发展历程、工作原理、器件结构、器件性能表征参数与测试仪器、器件性能影响因素等方面的大量研究工作。 2.以噻吩单元代替苯单元作为桥联基团,将给电子基团芴与吸电子基团苯并噻二唑通过Heck偶联反应进行共聚,合成了一种新型的窄带隙聚芴共轭聚合物PF-TBT[poly(fluorenevinylenealt-4,7-dithienyl-2,1,3-benzothiadiazole)]。噻吩单元以其优良的光学性质、高的载流子迁移率、强的给电子能力和高的化学稳定性而被广泛的应用在聚合物体异质结太阳能电池中。PF-TBT具有宽的吸收光谱,其吸收带边接近700nm,光学带隙为1.82eV。我们以聚合物PF-TBT作为给体材料,富勒烯衍生物PC61BM[(6,6)-phenyl-C61-butyric acid methyl ester]为受体材料,制备了器件结构为ITO/poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styenesulfonate) (PEDOT:PSS)/PF-TBT:PC6,BM/LiF/Al的聚合物体异质结太阳能电池,系统地研究了PF-TBT的光物理性质,热学性质和电化学性质,利用空间电荷限制电流方法(SCLC)计算了聚合物的空穴载流子迁移率,利用原子力显微镜(AFM)和透射电子显微镜(TEM)分析了PF-TBT与PC61BM共混膜的表面形貌。在光强100mW/cm2AM1.5G模拟太阳光照射下,Jsc=3.97mAcm-2, FF=0.35, Voc=0.86 V,能量转换效率达1.18%。 3.以聚苯撑乙烯类共轭聚合物PP-DBT [poly(phenylenevinylene-alt-4,7-diphenyl-2,1,3-benzothiadiazole)]为给体材料,富勒烯衍生物PC71BM [(6,6)-phenyl-C71-butyric acid methyl ester]为受体材料,制备了器件结构为ITO/PEDOT:PSS/PP-DBT:PC71BM/ZnO/Al的聚合物体异质结太阳能电池。对器件进行了一系列优化：对活性层的厚度、给体材料与受体材料掺杂比例进行调节；选择氯苯、氯仿、邻二氯苯为溶剂,考察其对活性层复合薄膜表面形貌的影响；采用ZnO纳米晶对活性层薄膜与电极界面进行修饰。利用空间电荷限制电流方法(SCLC)计算了聚合物PP-DBT的空穴载流子迁移率,利用透射电子显微镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)分析了PP-DBT:PC71BM共混膜的表面形貌。在光强100mW/cm2AM1.5G模拟太阳光照射下,器件的Jsc=7.46mAcm-2, FF=0.50,Voc=0.90 V,能量转换效率达3.36%。 4.利用静电自组装方法将具有局域表面等离子体共振效应的银纳米圆盘组装在ITO基底,并以聚噻吩衍生物P3HT[poly(3-hexylthiophene)]为给体材料,以富勒烯衍生物PC61BM为受体材料,制备了器件结构为[ITO/silver nanodisks/ PEDOT:PSS/P3HT:PC61BM/LiF/Al的太阳能电池,在光强100mW/cm2 AMI.5G模拟太阳光照射下,Jsc=9.24±0.09mAcm-2,FF=0.60±0.01, Voc=0.61±0.01V,能量转换效率达3.46±0.07%。通过银纳米圆盘的等离子体共振效应有效提高聚合物活性层中P3HT对入射光的俘获,与无银纳米圆盘修饰的器件相比,能量转换效率由原来的2.72±0.08%提升至3.46±0.07%。 【关键词】：聚合物体异质结太阳能电池 窄带隙分子 器件优化 界面修饰
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 中文摘要4-7
• Abstract7-13
• 第一章 绪论13-63
• 1.1 引言13-14
• 1.2 聚合物体异质结太阳能电池的研究发展历程14-24
• 1.3 聚合物体异质结太阳能电池简介24-32
• 1.3.1 聚合物体异质结太阳能电池的工作原理24-26
• 1.3.2 聚合物体异质结太阳能电池的器件结构26-29
• 1.3.3 聚合物体异质结太阳能电池的性能表征29-32
• 1.4 聚合物体异质结太阳能电池的活性层材料32-39
• 1.4.1 聚合物给体材料32-35
• 1.4.2 受体材料35-39
• 1.5 聚合物体异质结太阳能电池的器件优化39-51
• 1.5.1 器件的界面修饰39-44
• 1.5.2 给受体组分比44-45
• 1.5.3 溶剂选择45-46
• 1.5.4 退火处理46-48
• 1.5.5 添加剂48-51
• 1.6 本论文设计思想51-54
• 参考文献54-63
• 第二章 4,7-二噻吩基苯并噻二唑为构筑单元共轭聚合物的光伏性能63-85
• 2.1 引言63-65
• 2.2 材料合成65-69
• 2.2.1 试剂与仪器65-67
• 2.2.2 材料的合成67-69
• 2.3 结果与讨论69-80
• 2.3.1 共聚物的合成及热重分析69-71
• 2.3.2 紫外吸收光谱71-73
• 2.3.3 能级结构电化学性质73-76
• 2.3.4 PF-TBT和PF-DBT为给体材料太阳能电池的光伏性能76-80
• 2.4 本章小结80-81
• 参考文献81-85
• 第三章 4,7-二苯基苯并噻二唑为构筑单元共轭聚合物的光伏性能85-111
• 3.1 引言85-87
• 3.2 实验部分87-89
• 3.2.1 材料与试剂87
• 3.2.2 器件制备及表征87-89
• 3.3 结果与讨论89-106
• 3.3.1 PP-DBT的热学性质89
• 3.3.2 PP-DBT的吸收性质89-93
• 3.3.3 PP-DBT的电化学性质93-94
• 3.3.4 PP-DBT的空穴迁移率94-96
• 3.3.5 组分比对PP-DBT:PC_(71)BM器件性能的影响96-100
• 3.3.6 溶剂对PP-DBT:PC_(71)BM器件性能的影响100-104
• 3.3.7 界面修饰对PP-DBT:PC_(71)BM器件性能的影响104-106
• 3.4 本章小结106-108
• 参考文献108-111
• 第四章 银纳米盘为界面修饰层的聚合物体异质结太阳能电池111-127
• 4.1 引言111-114
• 4.2 实验部分114-117
• 4.2.1 样品及试剂114-115
• 4.2.2 实验及测试仪器115
• 4.2.3 银盘纳米晶的制备及器件制备115-117
• 4.3 结果与讨论117-125
• 4.3.1 表面等离子体银盘的光物理性质117-119
• 4.3.2 静电组装银盘薄膜的表面形貌119-121
• 4.3.3 基于银纳米盘聚合物太阳能电池的光伏性能121-125
• 4.4 本章小结125-127
• 参考文献127-131
• 第五章 结论131-133
• 作者简历133-135
• 攻读学位期间的论文发表情况135-139
• 致谢139

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

石墨烯杂化材料在聚合物太阳能电池中的应用研究    郑巧

退火处理与磁场处理对聚合物太阳能电池性能影响的研究    刘佳

CdSe的形貌调控及其对P3HT/CdSe太阳能电池性能的影响    吴洁

溶剂热法合成CuInS_2纳米晶体及工艺优化    赵琴

GaAs基Ⅲ-Ⅴ族多结太阳电池技术研究进展    周勋;罗木昌;赵红;周勇;刘万清;邹泽亚;

晶体生长机理的研究综述    郝保红;黄俊华;

硅基薄膜太阳电池窗口材料的研究进展    汪昌州;杨仕娥;卢景霄;

花状CuInS_2微晶的溶剂热合成及表征    蔡文;胡杰;向卫东;赵寅生;王晓明;黄文旵;

L-半胱氨酸分子辅助溶剂热合成铜铟硫光伏材料    蔡文;胡杰;赵寅生;向卫东;钟家松;刘丽君;

低成本衬底上多晶硅薄膜电池的探索    许颖,励旭东,王文静,于元,赵玉文,沈辉

纳米粒子分散性原理的研究    李彦菊;高飞;刘润静;王琰;胡永琪;赵华;赵风云;

衍射端悬挂滤波片对硅X射线衍射图谱的影响    胡成西;刘远;胡忠山;李永得;张志良;杨维丰;

溅射参数对CuInGa预制膜成分和结构的影响    李春雷;庄大明;张弓;宋军;

铜铟硫纳米粒子的溶剂热合成及表征    沈晓燕;娄永兵;

基于氧化石墨烯/聚合物光伏特性的研究    刘智勇

盘状液晶苯并菲类光电材料的合成及表征    孔翔飞

几种无机纳米粒子/（氧化）石墨烯复合材料的制备及性能研究    邹文斌

IV-VI族化合物量子点太阳能电池的制备及其性能研究    翟光美

聚光多结太阳能电池的设计、制备及可靠性研究    宋明辉

新型结构异质结太阳能电池的研究    沈亮

聚合物太阳能电池机理及实验研究    李卫民

苯并菲类盘状液晶的合成以及应用研究    张春秀

基于聚合物的有机太阳能电池的研制与表征    乔芬

活性层掺杂及阴极修饰在聚合物太阳能电池中的应用    杜海亮

基于氧化石墨烯/P3HT有机太阳能电池研究    赵宇

基于本体异质结型聚合物太阳能电池光电性能的研究    陈雄

有机光伏电池中新型供体材料及电池性能的研究    尹斌

2,5—二取代噁唑的荧光量子产率和激光转换效率的研究    于佩凤

溶剂效应对聚苯撑乙烯掺杂二酰亚胺太阳电池性能的影响    吴伟才;周印华;温善鹏;韩靓;田文晶;

光电传感器——光电池    叶宏;

一种新型静水压力海底沉积物取芯器能量转换效率研究    王建军;秦华伟;魏双丰;陈鹰;

成都地区居住建筑节能潜力与途径的分析探讨    孟文强;

氨水蓄能土壤源热泵集成系统耦合性能的模拟分析    田兴旺;徐士鸣;

利用Rubrene/C_(70)异质结提高有机太阳能电池的性能    陈子国;刘彭义;吴冰;张永哲;

电工电能信息    

太阳能热气流发电系统的性能分析    明廷臻;刘伟;许国良;黄素逸;彭仕文;潘垣;

体相异质结型有机太阳能电池的研究进展    李蛟;刘俊成;高从堦;

超声波电动机能量转换效率的定性分析    施进浩;李宝库;

太阳能电池的应用及展望    李德萍;时景立;王立功;

叠层结构GaInAsSb热光伏电池的设计和优化    彭新村;李国兴;张宝林;赵晓薇;董鑫;郑伟;杜国同;

烟火剂燃烧温度及发光效率研究    杜志明;张文明;

基于苯并二噻吩和噻唑共聚物的合成及其光电性能研究    杨苗;彭博;刘波;丁娉;潘春跃;邹应萍;

2,7-咔唑与5,6-二辛氧基二噻吩苯并噻二唑低能隙聚合物的合成及其光伏应用    丁娉;刘波;杨苗;彭博;潘春跃;邹应萍;

混合溶剂对共轭聚合物/富勒烯衍生物薄膜光伏电池性能的影响    谢志元;赵云;付莹莹;

荧光光波导集光太阳能电池    高琛;张军;耿俊杰;张义;丁建军;鲍骏;

一种D-A-D有机小分子的合成及在太阳能电池中的应用    范海军;尚会霞;李硕;李永舫;占肖卫;

具有D-A结构的噻吩和苯并噻二唑共聚物的光伏器件研究    赵光金;何有军;何畅;李永舫;

每年100亿电费可减少一半    特约通讯员 岳柯轩

做电动汽车,我们信心十足    本报记者 胡谋　整理

2004冷燃烧    大海

车到关前路在何方    张先国 詹国强

英研制出新型汽车燃料    何屹

磷酸铁锂电池让电动汽车看到新的希望    本报记者 赵三明

能源再生技术能否“再生”    张巍巍

浅析快速检修通用的两种类型电源模块原理    山东 邹士洪

电动汽车：中国车业后来居上的突破口    张先国 詹国强

太仓港35台轮胎吊“油改电”    驻太仓首席记者 徐允上 通讯员 刘少树

聚合物太阳能电池材料的设计、合成及性质研究    温善鹏

长期低浓度SO_2对油桐光合能量转换效率及机理的影响    廖飞勇

有机小分子太阳能电池的界面研究    宋群梁

射频识别标签芯片关键技术的研究与实现    刘冬生

光电化学法分解有机物制氢的研究    李磊

反型体异质结聚合物太阳能电池的研究    陶晨

PEDOT:PSS薄膜的掺杂改性及其在有机太阳能电池中的应用研究    李蛟

中子活化煤质在线分析及β辐射伏特核电池能量输运研究    王辉东

光活性层掺杂及新型透明电极在聚合物太阳能电池中的应用研究    章文峰

活性层优化及电极界面修饰对聚合物电池性能的影响    胡子阳

璧山县两口投饵池塘生态系的初步研究    孙志明

Z箍缩实验研究中探针激光脉冲的受激布里渊压缩    薛飞彪

聚噻吩衍生物的电化学合成及其应用研究    严峻

二极管泵浦无机液体激光系统性能研究    李密

无源RFID标签芯片能量获取技术的研究    惠雪梅

轨道—线圈复合型电磁炮发射机理研究    刘彦鹏

低成本染料敏化太阳能电池的制备及性能研究    储玲玲

组合型振荡浮子波能发电装置研究    高人杰

立式集热板太阳能热气流系统运行性能研究    巢军

螺线管式超导常导混合脉冲变压器的设计与实验研究    吴锐