有机太阳能电池的同步辐射XRD表征及其性能研究

【摘要】：以聚合物P3HT为电子给体材料和PCBM为电子受体材料的有机体异质结薄膜太阳能电池逐渐成为人们研究的热点之一，因为它不仅节能环保，而且易于制备、成本较低。然而，这类器件的光电转换效率仍旧不高，在最好的情况下其转换效率才达到5%-6%。器件的光电转换效率不仅与器件的光学吸收有关，而且也与活性层的微结构形貌密切相关。因此，有效的调控主动层P3HT/PCBM的微结构和相分离以及提高器件的光学吸收本领是改善有机薄膜太阳能电池光电转换性能的关键。本文通过优化有机太阳能电池制备中给受体材料浓度、共混比例、热处理温度、衬底类型等因素改善薄膜的微观结构和纳米形貌，采用同步辐射掠入射X射线衍射（grazing incidence X-ray diffraction，GIXRD）等技术研究了薄膜的微结构和纳米形貌与器件性能的构效关系；并进一步在器件中引入互补吸收层酞菁铜（CuPc）和等离激元振荡材料金纳米颗粒（AuNPs）有效增强器件对太阳光能量的利用，以提升器件的光电转换性能。 一方面，本文采用同步辐射GIXRD研究了有机薄膜热处理前后不同深度处的微结构变化和取向性，采用GIXRD和二维面探测器研究了薄膜在不同浓度、共混比例、衬底情形下的结晶情况和取向性，并进一步结合实验研究结果，优化器件制备条件，分别制备了高/低浓度、热处理前/后的有机太阳能电池，获得了较高的光电效率，使得器件效率由低浓度/未退火处理情况下的2.23%提高到高浓度/退火处理情况下的3.43%； 另一方面，本文在器件中引入与活性层P3HT/PCBM光学吸收互补的有机小分子CuPc和能够产生等离激元振荡的AuNPs作为增强器件光学吸收材料，采用紫外可见吸收谱、同步辐射GIXRD等实验技术分别研究了薄膜的光学吸收、微结构和纳米形貌的改善情况等，并进一步结合实验研究结果，充分利用CuPc和金纳米颗粒的优势，优化器件制备条件，使得器件的光电转换性能获得大幅改善，其效率由0.06%提升到0.31%。 【关键词】：有机薄膜太阳能电池 同步辐射GIXRD 自组装微结构与纳米形貌 等离激元 光电转换效率
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（上海应用物理研究所）
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-34
• 1.1 太阳能电池的发展现状10-13
• 1.2 太阳辐射光谱13-14
• 1.3 太阳能电池分类14-18
• 1.3.1 无机太阳能电池14-17
• 1.3.2 有机太阳能电池17-18
• 1.4 有机太阳能电池器件结构和一般原理18-27
• 1.4.1 有机太阳能电池器件结构18-21
• 1.4.2 有机太阳能电池光电转换的基本过程和原理21-25
• 1.4.3 有机太阳能电池器件的表征参数25-27
• 1.5 表面等离激元27-29
• 1.5.1 等离激元在有机光伏领域的应用28-29
• 1.5.2 新型等离激元太阳能电池的设计29
• 1.6 有机薄膜的 X 射线衍射概述29-31
• 1.7 本课题来源、研究内容和意义31-34
• 1.7.1 本课题来源31
• 1.7.2 本课题研究内容31
• 1.7.3 本课题创新点31-32
• 1.7.4 本课题研究意义32-34
• 第二章 有机太阳能电池制备和表征方法34-46
• 2.1 有机太阳能电池制备34-39
• 2.1.1 ITO 导电玻璃的激光雕刻和处理35
• 2.1.2 阳极缓冲层的制备和处理35-37
• 2.1.3 主动层 P3HT/PCBM 的制备37
• 2.1.4 薄膜干燥和退火处理37-38
• 2.1.5 阴极缓冲层和金属电极沉积38-39
• 2.2 有机太阳能电池的表征方法39-46
• 2.2.1 紫外可见吸收谱39
• 2.2.2 场发射透射电子显微镜39-40
• 2.2.3 同步辐射掠入射 X 射线衍射40-43
• 2.2.4 上海光源 BL14B 衍射线站原位升温装置简介43-44
• 2.2.5 电荷传输特性测试44-46
• 第三章 影响有机太阳能电池性能的若干关键因素研究46-64
• 3.1 热处理对有机太阳能电池性能的增强研究48-56
• 3.1.1 有机薄膜制备48
• 3.1.2 有机薄膜同步辐射 GIXRD 表征48-50
• 3.1.3 有机薄膜的同步辐射 XRD 结果分析与讨论50-55
• 3.1.4 热处理前后有机太阳能电池制备及其光电转换性能测试55-56
• 3.2 给受体比例对有机太阳能电池性能的增强研究56-61
• 3.2.1 不同给受体比例的有机薄膜制备和处理56-57
• 3.2.2 给受体比例调控有机薄膜的同步辐射 GIXRD 表征57-60
• 3.2.3 不同给受体比例有机太阳能电池制备及其光电转换性能测试60-61
• 3.3 活性层材料浓度对有机太阳能电池性能增强研究61-62
• 3.3.1 不同浓度的有机薄膜的同步辐射 GIXRD 研究61
• 3.3.2 不同浓度有机太阳能电池制备及其光电转换性能测试61-62
• 3.4 不同衬底上有机薄膜制备与同步辐射 XRD 表征62-64
• 3.4.1 不同衬底上的有机薄膜制备和处理62
• 3.4.2 不同衬底上有机薄膜的同步辐射 GIXRD 表征62-64
• 第四章 等离激元共振增强有机太阳能电池的性能研究64-78
• 4.1 油相下合成的金纳米颗粒增强有机太阳能电池性能研究65-73
• 4.1.1 金纳米颗粒修饰的有机薄膜制备65-66
• 4.1.2 金纳米颗粒修饰的有机薄膜的常规表征66-68
• 4.1.3 金纳米颗粒修饰的有机薄膜的同步辐射 XRD 表征68-71
• 4.1.4 金纳米颗粒修饰的有机太阳能电池性能研究71-73
• 4.2 不同粒径金纳米颗粒修饰的有机太阳能电池的表征与性能研究73-76
• 4.2.1 不同粒径金纳米颗粒修饰的有机太阳能电池制备73-74
• 4.2.2 不同粒径金纳米颗粒修饰的器件表征与光电性能增强研究74-76
• 4.3 水相下合成的金纳米颗粒增强有机太阳能电池性能研究76-78
• 第五章 总结与展望78-82
• 5.1 学位论文工作总结78-80
• 5.2 未来科研工作展望80-82
• 参考文献82-86
• 发表文章情况86
• 读研期间参与的科研项目情况86-88
• 致谢88

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

光电转换和热光电转换的实现和应用    邓泉;段昌奎;

薄膜太阳能电池    徐慢;夏冬林;杨晟;赵修建;

硅太阳能电池的应用研究与进展    黄庆举;林继平;魏长河;姚若河;

江南体育在线直播观看 发电技术的发展与应用    贾雪艳;曹金良;

同步辐射GIXRD研究溶液浓度对P3HT薄膜的取向及载流子迁移率的影响    李海东;王鹏月;张吉东;

有机聚合物P3HT/PCBM薄膜的同步辐射掠入射X射线衍射    杨迎国;郑官豪杰;季庚午;冯尚蕾;李晓龙;高兴宇;

世界范围的常规能源危机    李申生

太阳常数与太阳辐射的光谱分布    李申生

高分子有机场效应晶体管中半导体薄膜结晶行为及微观结构变化的研究    田雪雁;赵谡玲;徐征;姚江峰;张福俊;贾全杰;陈雨;樊星;龚伟;

Cu_2ZnSnS_4类四元硫族半导体的理论研究——以二元、三元、四元半导体的演化为思路    陈时友;龚新高;Aron Walsh;魏苏淮;

辽宁康平地区太阳能资源特征变化及评估    孙福义;康敏;姜涛;

建昌县近50年光照资源趋势变化及特征分析    马永忠;李明春;黄英华;杨学强;

用椭偏法研究掺磷a-Si∶H薄膜的光学特性    匡跃军;李伟;廖乃镘;蒋亚东;宋震;黄清海;祁康成;

薄膜太阳电池的最新进展    王育伟;刘小峰;陈婷婷;姜春萍;王瑞林;

有机聚合物太阳电池电极的表面性能研究    钟志有;顾锦华;何翔;孙奉娄;陈首部;

热处理对活性层性质及有机光伏电池性能的影响    钟志有;顾锦华;孙奉娄;何翔;陈首部;

PIN型非晶硅薄膜太阳电池仿真研究    曾睿;何世东;龚宇光;严来军;李伟;

薄膜太阳电池研究综述    蔺旭鹏;强颖怀;肖裕鹏;徐明磊;

中国建设低成本光伏电站发展趋势看好——超白太阳能玻璃、硅基薄膜电池为建造低成本光伏电站提供了基础    徐美君;

光伏发电模拟装置的设计    尹亮;宫文宁;

镓在新能源中的应用研究与进展    石勇;

Cu_xIn_yGa_zO_n纳米粉体的共沉淀法制备与表征    郑春满;肖静;韦永滔;郭宇杰;谢凯;

太阳能电池发展展望    刘路;

真空下用镁-锌合金熔融提纯工业硅粉的研究    郭菁;邢鹏飞;韩志彪;涂赣峰;

多种微型热光电系统辐射材料的光谱分析    李博;吴健;徐斌;苗家轩;李明;

柔性衬底薄膜光伏电池相关材料制备及性能    岳红云

热丝CVD法制备硅基薄膜材料及相关太阳电池模拟研究    黄海宾

纳米ZnO基有机/无机复合光伏器件研究    王丽丹

基于柔性塑料基底OLED阵列化技术及有机光伏器件研究    钟建

玻璃基太阳能电池薄膜材料制备及其结构和性能研究    徐慢

光催化降解斯蒂酚酸性能及一体式光催化—膜分离反应器的研究    孙秀云

低温圆片键合理论与工艺研究    聂磊

在线太阳电池测试系统关键技术研究    王志明

太阳电池组件制造和服役过程残余应力研究    孙国辉

卟啉-富勒烯化合物的合成及在有机太阳能电池的应用    汪磊

太阳能行业中技术创新型企业的现状、问题和对策    沈达

LaB_6光学性质的第一性原理计算及实验研究    肖立华

子波面扫描法长焦距透镜波面检测系统研究    李遥

蝴蝶鳞片高吸光率机理分析及仿生结构设计    商春辉

TiO_2/α-Fe_2O_3纳米阵列复合材料的制备及性能研究    赵辉

掺杂二甲亚砜的PEDOT：PSS薄膜的制备及在有机太阳能电池的应用    武慧

基于P3HT:PCBM的体异质结有机太阳能电池退火工艺的研究    张国良

碳化物金属陶瓷太阳能选择性吸收涂层结构设计及性能研究    高荣义

含受阻胺结构的三嗪型光稳定剂的合成及性能    张宇

低价硅衬底外延层结构太阳能电池计算机模拟    宁吉丰

功能薄膜的研究现状与应用前景    庄大明,张弓,刘家浚

太阳电池研究进展    郭志球;沈辉;刘正义;闻立时;

后危机时代矿产品价格趋势分析    王高尚;

利用掠入射X射线技术表征高分子薄膜    张吉东;莫志深;

纳米晶薄膜Li_xPb_(0.9-x)La_(0.1)TiO_3合成及离子电导特性    邹勃,李熙,邱法斌,富菊霞,王永为

基于叠层结构的本体异质结有机太阳电池    张馨芳;徐征;赵谡玲;张福俊;李妍;吴春瑜;陈跃宁;

敏化TiO_2纳米晶太阳能电池    吕笑梅,方靖淮,陆祖宏

聚合物光诱导电荷转移光电池的研究进展    邓先宇,俞钢,曹镛

我国重要矿产品供需形势分析    崔荣国;刘树臣;

ZnO/α-Al_2O_3界面结构的掠入射X射线衍射研究    孙柏;康朝阳;李锐鹏;刘忠良;唐军;徐彭寿;潘国强;

超薄柔性太阳能电池    于夫;

加拿大国家研究理事会研究开发有机太阳能电池    

加拿大国家研究理事会研究开发有机太阳能电池    

有机太阳能电池效率提高至6.5%    

有机太阳能电池技术及市场展望    庄陶钧;刘亚东;

有机太阳能电池理论转换效率接近100%    叶子;

综研化学和神户大学开发出p型半导体P3HT的新合成法,可用于有机太阳能电池    郑冬冬;

有机太阳能电池研究进展    林鹏,张志峰,熊德平,张梦欣,王丽

德国有机太阳能电池转化效率破世界记录    

德国有机太阳能电池转化效率破世界记录    

可溶性小分子有机太阳能电池    范斌;田清勇;白华;

基于碳纳米管纤维的有机太阳能电池    陈涛;仰志斌;彭慧胜;

基于取向碳纳米管膜的柔性有机太阳能电池    仰志斌;陈涛;何瑞旋;彭慧胜;

柔性及叠层薄膜有机太阳能电池研究    马廷丽;

各向同性/异性的苯并二噻吩类有机共轭小分子光物理性质理论研究    雍雪;张景萍;

采用PEO为阴极修饰层提高有机太阳能电池的稳定性    田慧;徐昊;杨利营;印寿根;

D-A型单分散共轭液晶齐聚物及其组装结构    耿延候;卜腊菊;曲建飞;谢志元;闫东航;王佛松;

9-(二辛基甲基)-2,7-咔唑-alt-5,7-(二噻吩-2基)-2,3-二苯基噻吩并[3,4-b]吡嗪共聚衍生物的合成及其光伏性能研究    李健民;谭华;聂凯旋;黄颖;王亚飞;邓先平;姜鹏程;刘煜;朱卫国;

Rubrene/C_(60)结有机太阳能电池的阳极改性及偏压处理研究    吴冰;刘彭义;李艳武;常鹏;

有机太阳能电池ITO电极的光刻制备法及其研究    席曦;王振交;杨辉;乔琦;季静佳;陆红艳;李果华;

美评估有机太阳能电池对环境的影响    记者 毛黎

美国研发可拉伸有机太阳能电池    蔡佳

德支持企业开发有机太阳能电池    记者 顾钢

有机太阳能电池既可自组装又能自我修复    刘霞

叠层型有机太阳能电池接近商用    记者 邰举

触摸未来电子生活    张德强 高裕弟 刘嵩

光能转换为电能的光电塑料技术    

已在发电效率上取得重要进展    记者 冯海波 通讯员 龚华萍

2007年世界科技发展回顾(七)    本版编辑张浩 郑晓春 邓国庆 毛黎 何屹 顾钢 何永晋

世界各国加快太阳能应用    刘林森

有机太阳能电池中的光物理过程研究    陈向东

有机太阳能电池电学模型与数值研究    马朝柱

有机太阳能电池界面过程的研究    陈丽佳

有机太阳能电池的电荷转移态等效电路和多重电荷分离界面研究    黄江

基于聚合物的有机太阳能电池的研制与表征    乔芬

基于卟啉的小分子和聚合物的合成及其光伏性能研究    黄玉英

用于溶液工艺光电器件的金属氧化物界面层材料研究    白赛

可溶液加工的给受体型有机小分子材料的设计合成及光伏性能    李慧

有机聚合物体异质结太阳能电池：分子结构，表面形貌与新型器件结构    周印华

电沉积制备聚噻吩有序微结构及有机太阳能电池    于伟利

基于酞菁类金属配合物的有机太阳能电池研究    杨汀

有机太阳能电池中电极修饰的研究    史绍华

聚合物和小分子有机太阳能电池的制备和表征    闫鹏

有机太阳能电池的电极调控    杨彬彬

基于三元体系混合物有机太阳能电池的研究    范学东

银纳米颗粒表面等离子体增强有机太阳能电池研究    周子游

利用纳米材料的光学特性提高有机太阳能电池效率的研究    乔琳芳

体异质结有机太阳能电池光电性能的研究    刘峰

具有大π结构新型有机太阳能电池受体材料的研制    董雷

有机太阳能电池制作和特性研究    景广华