外场下液晶分子调控活性层形貌的机理及其太阳能电池性能

【摘要】：聚合物太阳能电池作为利用太阳能的一种低成本器件，其光电转换效率已经达到了10%以上。对于给定的给受体材料，活性层的微观形貌是决定其性能的重要因素，调控活性层形貌对于提高器件效率具有重要的意义。 液晶(LC)是一类介于固体和液体之间的相态，同时具备晶体以及液体的性质，具有优良的电学以及光电性能。将液晶分子作为第三组分引入活性层中，可望诱导给受体材料的结晶与相分离，并调节能级匹配。 本文合成了4-正辛氧基-4-氰基联苯(8OCB)液晶小分子，将其作为第三组分，掺杂到聚3-己基噻吩(P3HT)与[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PC61BM)共混体系中。通过在不同的温度下退火，调控共混物薄膜的结构与形貌。发现当液晶含量为6wt%，且在液晶相温度区间70oC下退火时，相应的太阳能电池器件效率可达最高值3.5%，且空穴的迁移率也最大。认为退火温度为70oC时，液晶处于各向异性状态，液晶分子能够诱导P3HT分子链形成有序的结晶，而当退火温度为130oC时，液晶进入各向同性状态，对P3HT分子链的诱导作用消失，相应的器件性能与形貌也变差。退火温度从室温升至70oC和130oC时，P3HT结晶片层间距从16.22变为16.50和17.04，说明在较高温度下，PCBM和液晶分子能进入P3HT结晶的片层区域。液晶分子与P3HT之间不相溶，但是可以作为模板调控活性层形成更优化的形貌。 为了研究液晶小分子在电场作用下调控P3HT和PCBM的结晶与相分离的机理，将4''-正戊基-4-氰基三联苯(5CT)液晶小分子加入活性层，在成膜过程中，施加外电场，研究不同电场强度下活性层的形貌以及相应器件的性能。结果表明，液晶小分子与P3HT不相溶，能作为成核剂诱导P3HT结晶，而液晶小分子与PCBM间由于较强的π-π相互作用，能诱导PCBM形成复合聚集体，限制彼此的结晶。施加电场后，液晶小分子能沿电场方向取向，且与PCBM形成的纳米棒也能沿电场方向取向，优化了活性层的形貌。广角掠入射X衍射结果表明，P3HT形成了edge-on的结晶，且衍射峰位置不随电场强度变化。掠入射小角X射线散射的结果表明，电场强度会影响液晶小分子与PCBM形成聚集体的散射，并通过DAB-cylindrical模型模拟了小角散射的曲线。当外电场强度为600V/mm，且液晶小分子含量为6wt%时，器件效率达到最高值3.5%。本文建立了活性层形貌结构与器件性能之间的关联，电场诱导的过程全部在空气氛围下进行，为工业化生产提供了依据。 【关键词】：聚合物太阳能电池 液晶 微观形貌调控 结晶 电场诱导
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4;O631.1
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-31
• 1.1 引言9-10
• 1.2 聚合物太阳能电池10-16
• 1.2.1 聚合物太阳能电池工作原理10-12
• 1.2.2 聚合物太阳能电池活性层材料12-13
• 1.2.3 有机聚合物太阳能电池伏安特性曲线及相关系数13-16
• 1.3 聚合物太阳能电池活性层形貌调控16-29
• 1.3.1 溶剂处理17-18
• 1.3.2 退火处理18-20
• 1.3.3 添加第三组分20-29
• 1.4 本课题的提出和意义29-31
• 第二章 液晶温度退火处理三元共混体相异质结聚合物太阳能电池31-46
• 2.1 引言31-32
• 2.2 实验部分32-35
• 2.2.1 实验原料32
• 2.2.2 实验仪器及分析表征手段32-33
• 2.2.3 4-正辛氧基-4 -氰基联苯的合成与共混薄膜制备33-34
• 2.2.4 P3HT/PCBM/8OCB 共混薄膜的制备34
• 2.2.5 聚合物太阳能电池器件制备和性能表征34-35
• 2.3 结果与讨论35-45
• 2.3.1 P3HT 与 8OCB 的共混性研究35-36
• 2.3.2 共混薄膜的结晶性和光性能研究36-40
• 2.3.3 薄膜表面形貌研究40-41
• 2.3.4 光伏特性41-45
• 2.4 本章小结45-46
• 第三章 外电场作用下液晶分子诱导聚合物/富勒烯共混物结晶机理及用于有机太阳能电池46-70
• 3.1 引言46-47
• 3.2 实验部分47-50
• 3.2.1 实验原料47
• 3.2.2 实验仪器及分析表征手段47-48
• 3.2.3 共混薄膜的制备48-49
• 3.2.4 电场装置的搭建49
• 3.2.5 聚合物太阳能电池器件制备和性能表征49-50
• 3.3 结果与讨论50-69
• 3.3.1 5CT 与 P3HT 和 PCBM 间的相互作用50-56
• 3.3.2 P3HT/PCBM/5CT 三元共混物慢干体系的研究56-59
• 3.3.3 电场诱导处理的 P3HT/PCBM/5CT (1:1:0.06)三元体系形貌研究59-62
• 3.3.4 电场作用下 P3HT/PCBM/5CT 三元体系的结晶性研究62-66
• 3.3.5 器件光伏特性研究66-69
• 3.4 本章小结69-70
• 第四章 结论与展望70-72
• 4.1 结论70-71
• 4.2 展望71-72
• 致谢72-73
• 参考文献73-83
• 攻读学位期间的研究成果83

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