传统结构及反转结构聚合物太阳能电池的制作及表征

【摘要】：聚合物太阳能电池属于第三代太阳能电池，在能源问题日益严峻的当今世界成为科研的热点领域之一。二氧化钛因其合适的能级结构，优良的光学性能，被广泛的应用到了反转结构聚合物太阳能电池中；电化学阻抗谱分析在染料敏化太阳能电池中有成熟的运用，可帮助更好地理解聚合物太阳能电池中的界面情况。本文研究了空气中制备传统结构及反转结构聚合物太阳能电池的方法，并对制备方法进行了优化；本文还对聚合物太阳能电池进行了电化学阻抗谱分析。主要内容包括： 首先，制作TiO2无机缓冲层材料，如TiO2薄膜、TiO2纳米管薄膜、TiO2纳米棒阵列薄膜，并研究了获得高质量及厚度可调节的TiO2薄膜的方法，利用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、高分辨透射电镜（HR-TEM）、选区电子衍射（SAED）等对样品进行分析表征，得到了制备均匀TiO2薄膜的条件，以及控制TiO2纳米棒阵列薄膜形貌的方法。 使用P3HT和PCBM作为活性层材料，旋涂法制备传统结构聚合物太阳能电池，通过紫外-可见分光光度计（Uv-vis）、电池性能的测试等研究了活性层旋涂速率、活性层浓度对活性层厚度、对电池效率的影响，引入醋酸锌保护层对电池活性层进行保护，并研究了热蒸镀条件对电池性能的影响，最终优化获得了光电转化效率达到2.35%的传统结构聚合物太阳能电池。 使用TiO2薄膜、TiO2纳米棒阵列薄膜作为电子传输层，石墨烯氧化物作为空穴传输层制作反转结构聚合物太阳能电池，并对电池结构进行优化，分别获得了0.857%和0.535%的的光电转化效率。 使用电化学阻抗对制备的传统结构及反转结构的聚合物太阳能电池进行分析表征，对电池性能优化中各种工艺参数改变的影响进行分析表征，由此对聚合物太阳能电池的工作原理有了更深刻的理解，对电池的性能优化提供了更明确的研究方向。 【关键词】：聚合物太阳能电池 反转结构 二氧化钛 电化学阻抗谱分析
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 主要符号对照表9-11
• 第1章 引言11-29
• 1.1 聚合物太阳能电池的发展历史11-13
• 1.2 聚合物太阳能电池的结构和基本原理13-16
• 1.3 聚合物太阳能电池的性能优化研究16-22
• 1.3.1 对聚合物太阳能电池的材料优化研究16-18
• 1.3.2 对活性层形貌的研究18-21
• 1.3.3 对聚合物太阳能电池结构的研究21-22
• 1.4 反转结构聚合物太阳能电池用材料的研究22-23
• 1.5 TiO_2在聚合物太阳能电池中的应用23-24
• 1.6 电化学阻抗谱分析在聚合物太阳能电池中的应用24-25
• 1.7 聚合物太阳能电池的性能参数及测试方法25-26
• 1.7.1 聚合物太阳能电池的性能参数25-26
• 1.7.2 聚合物太阳能电池的性能测试方法26
• 1.8 旋涂成膜影响因素26-28
• 1.9 本论文主要工作及意义28-29
• 第2章 无机缓冲层材料的制备及研究29-46
• 2.1 引言29-30
• 2.2 实验部分30-33
• 2.2.1 主要原料及试剂30
• 2.2.2 原料的处理方法30
• 2.2.3 实验仪器30
• 2.2.4 无机缓冲层材料的制备30-32
• 2.2.5 样品的表征与测试32-33
• 2.3 结果与讨论33-44
• 2.3.1 TiO_2薄膜的制备33-38
• 2.3.2 TiO_2纳米管阵列的制备38-41
• 2.3.3 TiO_2纳米棒阵列的制备41-44
• 2.4 本章小结44-46
• 第3章 传统结构聚合物太阳能电池的制备及表征46-60
• 3.1 引言46-47
• 3.2 实验部分47-50
• 3.2.1 主要原料及试剂47
• 3.2.2 原料的处理方法47
• 3.2.3 实验仪器47-48
• 3.2.4 实验内容48-49
• 3.2.5 样品表征与测试49-50
• 3.3 结果与讨论50-58
• 3.3.1 导电基板及旋涂 PEDOT:PSS 的作用50-51
• 3.3.2 活性层浓度及旋涂速率对吸光度和制作电池效率的影响51-53
• 3.3.3 热蒸镀金属电极的厚度对电池参数的影响53
• 3.3.4 石墨烯氧化物作为空穴传导层53-55
• 3.3.5 醋酸锌保护层的作用55-57
• 3.3.6 高效率传统结构聚合物太阳能电池57-58
• 3.4 本章小结58-60
• 第4章 反转结构聚合物太阳能电池的制备及表征60-70
• 4.1 引言60-61
• 4.2 实验部分61-63
• 4.2.1 主要原料及试剂61
• 4.2.2 原料的处理方法61
• 4.2.3 实验仪器61
• 4.2.4 实验内容61-63
• 4.2.5 样品的表征与测试63
• 4.3 结果与讨论63-68
• 4.3.1 TiO_2薄膜在反转结构聚合物太阳能电池中的应用63-65
• 4.3.2 TiO_2纳米棒阵列在传统结构聚合物太阳能电池中的应用65-66
• 4.3.3 TiO_2纳米棒阵列在反转结构聚合物太阳能电池中的应用66
• 4.3.4 TiO_2薄膜/TiO_2纳米棒阵列复合结构的应用66-68
• 4.4 本章小结68-70
• 第5章 聚合物太阳能电池的电化学阻抗谱分析70-82
• 5.1 引言70-71
• 5.2 实验部分71-73
• 5.2.1 主要原料及试剂71
• 5.2.2 原料的处理方法71
• 5.2.3 实验仪器71
• 5.2.4 实验内容71-73
• 5.3 结果与讨论73-80
• 5.3.1 电化学阻抗谱分析模型比较73-74
• 5.3.2 光照对电池电化学阻抗的影响74
• 5.3.3 不同活性层厚度电池的电化学阻抗谱分析74-75
• 5.3.4 石墨烯氧化物作为空穴传导层的电化学阻抗谱分析75-76
• 5.3.5 醋酸锌保护层作用的电化学阻抗谱分析76-77
• 5.3.6 TiO_2薄膜在反转结构聚合物太阳能电池中应用的电化学阻抗谱分析77-79
• 5.3.7 TiO_2纳米棒阵列在传统结构聚合物太阳能电池中应用的电化学阻抗谱分析79-80
• 5.4 本章小结80-82
• 第6章 结论82-84
• 参考文献84-92
• 致谢92-94
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果94-95

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