有机太阳能电池的性能优化及反型器件的研究

【摘要】：随着能源问题的加剧，绿色无污染的太阳能将会得到更多的关注，而有机太阳能电池因其工艺简单、成本低、柔性、可大面积生产等优点，受到许多研究者的青睐。本论文主要介绍了有机太阳能电池的发展历程、器件结构、器件工作原理、器件制备工艺。制备了基于PB、PTT-FTQ、P3HT做给体的传统正向结构器件及基于四氧化三钴做空穴传输层的反型器件，并对影响器件性能的各种因素进行了优化。主要研究结果如下： 1，制备了结构为ITO/Hole-transporting layer/Donor:Acceptor/LiF/Al的传统正向器件，并从各个角度对器件性能进行了优化。 研究了给受体质量比、活性层厚度、退火温度、溶剂类型等因素对有机太阳能电池性能的影响。以PB:PC61BM体系作为活性层，探讨了上述因素与器件性能之间的关系并进行了优化。研究表明：不同质量比的给受体对活性层的网状结构有比较大的影响，主要体现在太阳能电池的开路电压上；不同活性层厚度主要影响光子的吸收及激子的分离，这对电池的短路电流影响较大；退火温度会影响D-A分子重新排列，这对电池的电流电压均有较大影响；溶剂类型主要影响活性层的表面形貌。在适宜的条件下，PB:PC61BM体系的电池效率达到1.30%。 研究了给受体比例及膜厚、受体类型、添加剂等因素对有机太阳能电池性能的影响。以PTT-FTQ:PCBM体系作为活性层，研究了上述因素与器件性能之间的关系并进行了优化，结果如下: PC71BM做受体时，电池的短路电流比PC61BM体系下的要大得多，但是开路电压会稍低，这主要是PC71BM有较强的光谱吸收但LUMO能级较低；添加剂对调控活性层形貌影响较大。PTT-FTQ:PC71BM体系能量转化效率达到2.78%，PC61BM体系下能量转化效率为2.09%。 研究了不同种类及膜厚的空穴传输层等因素对有机太阳能电池性能的影响。以P3HT:PC61BM体系作为活性层，研究发现当PEDOT:PSS膜厚为30nm时，器件效率达到最大值2.86%；当MoO3膜厚为10nm时，器件效率为3.20%。这主要是MoO3具有高效传输空穴的同时，还具有PEDOT:PSS所不具有的阻挡电子的作用。 2，研究了一种新型空穴传输材料在反型有机太阳能电池中的应用。将一种新的金属氧化物(Co3O4)引入到反型器件中做空穴传输层，研究了氧化物厚度、形貌对器件性能的影响。研究表明当CoOx膜厚为10nm时，器件效率高达2.72%，非常接近传统正向结构下器件的效率2.86%。 【关键词】：有机太阳能电池 四氧化三钴 反型器件 二异丙氧基双乙酰丙酮钛
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 部分中英文对照10-11
• 第一章 绪论11-24
• 1.1 研究背景与意义11
• 1.2 有机太阳能电池的发展历程11-13
• 1.3 有机太阳能电池的器件结构13-15
• 1.3.1 传统正向器件14
• 1.3.2 反型器件14
• 1.3.3 叠层器件14-15
• 1.3.4 其他结构15
• 1.4 有机太阳能电池的工作原理及等效电路15-18
• 1.4.1 工作原理15-17
• 1.4.2 有机太阳能电池的等效电路17-18
• 1.5 有机太阳能电池中的活性层材料和传输层/缓冲层材料18-21
• 1.5.1 给体材料18-19
• 1.5.2 受体材料19-20
• 1.5.3 传输层/缓冲层材料20-21
• 1.6 影响本体异质结太阳能电池性能的主要因素21-22
• 1.7 本论文的设计思路与主要内容22-24
• 第二章 实验部分24-29
• 2.1 实验试剂及生产厂家24-25
• 2.2 实验仪器及厂家25
• 2.3 器件制备及测试25-26
• 2.4 器件的性能参数表征26-29
• 第三章 有机太阳能电池的性能优化29-45
• 3.1 引言29
• 3.2 基于 PB 做给体的太阳能电池性能优化及共混薄膜的形貌分析29-36
• 3.2.1 给受体比例对器件性能的影响31-32
• 3.2.2 不同活性层厚度对器件性能的影响32-33
• 3.2.3 退火温度对器件性能的影响33-34
• 3.2.4 溶剂类型对器件性能的影响34-35
• 3.2.5 部分共混薄膜的表面形貌(AFM)35-36
• 3.3 基于 PTT-FTQ 做给体的太阳能电池性能优化及共混薄膜的形貌分析36-41
• 3.3.1 给受体比例及膜厚对此体系下器件性能的影响37-39
• 3.3.2 受体 PC_(61)BM 和 PC_(71)BM 对器件性能的影响39-40
• 3.3.3 添加剂的影响40-41
• 3.4 基于 P3HT 做给体的太阳能电池性能优化41-42
• 3.5 本章小结42-45
• 第四章 基于四氧化三钴做空穴传输层的反型太阳能电池的制备及性能研究45-55
• 4.1 引言45
• 4.2 四氧化三钴（Co_3O_4）的基本性质45-46
• 4.3 二异丙氧基双乙酰丙酮钛(TIPD)46
• 4.4 材料制备及器件制备46-47
• 4.5 主要参数测定与结果讨论47-54
• 4.5.1 功函数测定与能级分析47-49
• 4.5.2 暗电流曲线的测量49
• 4.5.3 传统结构和反型结构在最佳条件下的 J-V 曲线49-51
• 4.5.4 不同膜厚 CoO_x的 J-V特性曲线51-52
• 4.5.5 器件的 IPCE 曲线52-53
• 4.5.6 钴氧化物薄膜的形貌分析(AFM)53-54
• 4.6 本章小结54-55
• 第五章 总结与展望55-57
• 5.1 总结55-56
• 5.2 展望56-57
• 参考文献57-62
• 致谢62-63
• 个人简历63-64
• 攻读硕士学位期间发表论文情况64

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