利用阴极界面修饰提高聚合物太阳能电池的性能和稳定性

【摘要】：聚合物太阳能电池具有成本低廉、制备工艺简单、可制备成大面积柔性器件等优点,近年来受到越来越多的关注。目前,光电转换效率和器件稳定性是其商品化应用所面临的主要问题。要想解决这两个问题,主要考虑光的吸收利用率和电子空穴的分离,即从活性层材料和界面修饰层的优化两方面入手。本论文主要研究后者,采用不同的修饰方法,降低表面功函数,以提升其器件性能及稳定性。研究工作主要从以下两个方面展开:1.采用表面共价接枝方法制备氮丙啶阴极修饰层,并应用于反向聚合物太阳能电池。为了提高阴极修饰层的抗溶剂性,提高反向聚合物太阳能电池的性能,我们通过表面共价的方法将接枝共聚氮丙啶(surface grafting hyper-branched polymer of aziridine,SGHPA)、3-氨基丙基三乙氧基硅烷(3-aminopropyltriethoxysilane,APTES)以及氮丙啶共价接枝于APTES的双层膜(SGHPA@APTES),三种修饰层修饰于ITO表面。我们对修饰后的ITO的表面性质进行了表征,并应用于制备反向器件。结果表明,我们成功的将共价接枝氮丙啶修饰在基片表面,并且有效降低了ITO表面功函数,ITO的功函数从4.52 eV降到3.46 eV,降幅接近1 eV。以共价接枝修饰层作为阴极修饰层的反向聚合物太阳能电池的能量转换效率有明显提高。以SGHPA@APTES作为阴极修饰层的反向结构器件,能量转换效率最高可达8.18%,与没有阴极修饰层的器件相比,提高了76%。同时,以共价接枝修饰层作为阴极修饰层的反向聚合物太阳能电池的器件稳定性有明显提高。其中以SGHPA和SGHPA@APTES作为阴极修饰层的反向结构器件暴露于空气中140 h后,能量转换效率仍然保持原来的92%以上。2.共轭小分子acridine orange hydrochlor hydrate(AOHH)作为阴极修饰层,应用于传统聚合物太阳能电池及反向聚合物太阳能电池。首先对AOHH修饰层的厚度、表面分子排列情况、表面形貌、修饰ITO后表面功函数的变化等作了表征,然后利用AOHH作为阴极修饰层制备了两种结构的聚合物太阳能电池器件,并研究了其器件性能。结果表明,AOHH可以很好地降低ITO的功函数,最大降幅为0.6 eV,证明了其可以作为阴极修饰层。以AOHH作为阴极修饰层的传统结构聚合物太阳能电池的能量转换效率有明显提高。其中,最好的能量转换效率为6.97%,器件是以甲醇溶剂处理后再以乙醇作溶剂制备AOHH阴极修饰层。而没有阴极修饰层的器件效率为6.29%。我们将AOHH作为阴极修饰层旋涂在ITO表面,探索了紫外臭氧清洗处理,匀胶机转速,不同溶剂以及所蒸镀MoO3的厚度对使用AOHH阴极修饰层所制备的反向聚合物太阳能电池器件性能的影响。最终优化后,反向器件能量转换效率最高为6.97%。以上的研究表明,有机物阴极修饰层材料可以有效提高聚合物太阳能电池的器件性能和空气稳定性。本论文的研究是表面共价接枝修饰制备阴极修饰层的很好的尝试,并且探索了含氮共轭分子在聚合物太阳能电池中的应用,希望这种修饰思想将来可以应用于大面积生产以及其他类型的太阳能电池。 【关键词】：聚合物太阳能电池 阴极修饰层 表面共价接枝 可溶液加工
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-26
• 1.1 聚合物太阳能电池的研究现状12-13
• 1.2 聚合物太阳能电池的工作原理13-16
• 1.2.1 肖特基单层电池13-14
• 1.2.2 双层D/A异质结电池14-15
• 1.2.3 D/A本体异质结电池15-16
• 1.2.4 叠层聚合物太阳能电池16
• 1.3 本体异质结型聚合物太阳能电池的结构16-18
• 1.3.1 传统结构聚合物太阳能电池17
• 1.3.2 反向结构聚合物太阳能电池17-18
• 1.4 聚合物太阳能电池阴极修饰层的作用及研究现状18-24
• 1.4.1 聚合物太阳能电池中阴极修饰层的作用18-20
• 1.4.1.1 降低电极功函数18-19
• 1.4.1.2 光学缓冲层19
• 1.4.1.3 保护活性层19-20
• 1.4.1.4 选择性阻挡载流子和激子阻挡层20
• 1.4.2 聚合物太阳能电池中阴极修饰层的制备方法及研究现状20-24
• 1.5 课题的提出24-26
• 1.5.1 研究目的及意义24
• 1.5.2 研究内容及实验方案24-26
• 第2章 表面共价接枝氮丙啶修饰ITO：应用于高效稳定的反向聚合物太阳能电池26-45
• 2.1 引言26-27
• 2.2 实验部分27-34
• 2.2.1 实验原料与试剂27-28
• 2.2.2 实验仪器28-29
• 2.2.3 氮丙啶的合成29-30
• 2.2.4 表面共价接枝修饰30-31
• 2.2.4.1 基片清洗及表面羟基化30
• 2.2.4.2 用APTES修饰基片表面30
• 2.2.4.3 用SGHPA修饰基片表面30-31
• 2.2.5 反向聚合物太阳能电池的器件制备31
• 2.2.6 表面性质测试31-33
• 2.2.6.1 表面亲水性测试31-32
• 2.2.6.2 傅里叶红外吸收光谱测试32
• 2.2.6.3 X-射线光电子能谱测试32
• 2.2.6.4 修饰层厚度测试32
• 2.2.6.5 表面形貌测试32-33
• 2.2.6.6 表面功函数测试33
• 2.2.7 反向聚合物太阳能电池器件性能测试33-34
• 2.2.7.1 能量转换效率测试33
• 2.2.7.2 外量子效率测试33
• 2.2.7.3 器件稳定性测试33-34
• 2.3 结果与讨论34-43
• 2.3.1 氮丙啶的核磁表征34-35
• 2.3.2 表面浸润性35-36
• 2.3.3 表面化学组成及厚度36-38
• 2.3.3.1 SGHPA的红外谱图表征36-37
• 2.3.3.2 不同修饰层的XPS表征37-38
• 2.3.3.3 膜厚表征38
• 2.3.4 表面形貌38-39
• 2.3.5 表面功函数变化39-40
• 2.3.6 反向结构聚合物太阳能电池器件性能40-43
• 2.3.7 反向结构聚合物太阳能电池器件稳定性43
• 2.4 本章小结43-45
• 第3章 醇溶性阴极修饰层AOHH在传统聚合物太阳能电池中的应用45-56
• 3.1 引言45-46
• 3.2 实验部分46-50
• 3.2.1 实验原料与试剂46-47
• 3.2.2 实验仪器47-48
• 3.2.3 修饰层的制备48
• 3.2.4 器件制备48
• 3.2.5 修饰层表面性质测试48-49
• 3.2.5.1 修饰层表面厚度测试48
• 3.2.5.2 修饰层表面功函数测试48-49
• 3.2.5.3 修饰层表面形貌测试49
• 3.2.5.4 修饰层表面X射线衍射测试49
• 3.2.6 器件性能测试49-50
• 3.3 结果与讨论50-54
• 3.3.1 修饰层厚度与功函数的关系50-51
• 3.3.2 不同溶剂对修饰层表面形貌的影响51-52
• 3.3.3 不同溶剂对修饰层表面XRD测试的影响52-53
• 3.3.4 传统结构聚合物太阳能电池器件性能53-54
• 3.4 本章小结54-56
• 第4章 醇溶性阴极修饰层AOHH在反向聚合物太阳能电池中的应用56-67
• 4.1 引言56
• 4.2 实验部分56-60
• 4.2.1 实验原料与试剂56-57
• 4.2.2 实验仪器57-58
• 4.2.3 修饰层的制备58
• 4.2.4 修饰层表面形貌测试58
• 4.2.5 AOHH修饰层应用于反向结构聚合物太阳能器件制备过程58-59
• 4.2.6 器件性能测试59-60
• 4.2.6.1 能量转换效率测试59
• 4.2.6.2 ITO表面UVO处理对器件性能的影响测试59
• 4.2.6.3 匀胶机转速对器件性能的影响测试59-60
• 4.2.6.4 修饰层溶剂对器件性能的影响测试60
• 4.2.6.5 MoO_3厚度对器件性能的影响测试60
• 4.3 结果与讨论60-66
• 4.3.1 o-DCB对AOHH修饰层表面形貌的影响60-61
• 4.3.2 传统结构聚合物太阳能电池器件性能61-66
• 4.3.2.1 ITO表面UVO处理对器件性能的影响62-63
• 4.3.2.2 匀胶机转速对器件性能的影响63-64
• 4.3.2.3 修饰层溶剂对器件性能的影响64-65
• 4.3.2.4 MoO_3厚度对器件性能的影响65-66
• 4.4 本章小结66-67
• 第5章 结论与展望67-70
• 5.1 结论67-68
• 5.2 展望68-70
• 参考文献70-77
• 硕士论文工作期间科研成果77-78
• 致谢78-81

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