聚合物太阳能电池电极修饰层的低温制备研究

【摘要】：聚合物太阳能电池以其成本低、重量轻、柔性等突出优点，成为可再生能源开发与研究的热点之一。尽管聚合物太阳能电池具有巨大的发展潜力，但在走上市场化前，其性能仍有待提高。目前，聚合物太阳能电池的最佳单体器件效率达到了8%-9%，叠层器件的效率最高为10.6%。按商业化应用的要求，单体和叠层器件的效率应分别大于10%和15%，为此需要从合成新型的窄带隙材料、优化器件的制备工艺、设计稳定的器件结构、优化器件界面性能等角度出发提高器件的性能。其中，界面的优化和设计是制备高性能聚合物太阳能电池中的关键环节之一，合适的电极修饰层能更好地形成欧姆接触，实现载流子有选择性地收集，有效改善器件的效率和稳定性。 本论文主要侧重于优化聚合物太阳能电池的电极修饰层，包括材料的选择和工艺优化等；主要工作是在器件有源层和顶电极间，分别使用低温蒸镀和溶液法制备了性能较高的阴极修饰层与阳极修饰层。 首先，针对聚合物太阳能电池中传统的无机阴极修饰层蒸镀温度过高，会增加制备成本、损坏有源层、降低器件性能的问题，使用可低温蒸镀的CsClO4作为阴极修饰层制备了结构为ITO/MoO3/P3HT:PCBM/CsClO4/Al的正置器件。CsClO4的真空蒸镀温度仅为350℃，远低于传统的无机化合物阴极修饰层材料的真空蒸镀温度，如LiF（700℃）、CsCO（3600℃）。较低的蒸镀温度能减少制备时间和能源的消耗，并降低蒸镀时高温对有源层的损害。实验结果表明当CsClO4阴极修饰层的厚度为1nm时，制备的器件性能最佳，能量转换效率为3.231%，与相同结构无阴极修饰层的器件相比，其效率提高了73.2%；同时，与采用LiF阴极修饰层的器件相比，其效率仍然提升了7%。这是由于蒸镀CsClO4作为阴极修饰层能降低金属表面的功函数，更好地形成欧姆接触，有利于电荷收集；同时，CsClO4层也可以起到空穴阻挡的作用，减少空穴在阴极的复合。并且制作了单载流子器件、测量了器件的IPCE进一步研究证实了上述分析和结果。 其次，相比于传统正置结构的聚合物太阳能电池，倒置器件具有更好的稳定性和效率，并且更有利于柔性器件的制备。但是在目前的倒置器件中，顶电极的修饰层如MoO3、V2O5等，大多采用真空蒸镀法进行制备；真空蒸镀不仅会消耗大量的时间和能源、提高成本，而且与全溶液法的制备工艺不兼容。针对该问题，使用溶液法在有源层上制备MoO3阳极修饰层，完成了结构为ITO/ZnO/P3HT:PCBM/MoO3/Al的倒置器件。该顶电极修饰层的制备方法不需要在真空环境下进行，并且与全溶液法制备多层聚合物太阳能电池器件的工艺更加兼容。实验中对其相关工艺参数，包括前驱体的选择、旋涂速度、水解时间、退火条件等进行了优化，获得了2.59%的能量转换效率。 【关键词】：聚合物太阳能电池 电极修饰层 高氯酸铯 氧化钼 低温真空蒸镀 溶液法
【学位授予单位】：吉林大学
【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
• 第1章 绪论10-34
• 1.1 引言10-11
• 1.2 聚合物太阳能电池的原理介绍11-14
• 1.2.1 聚合物太阳能电池的基本结构11-12
• 1.2.2 聚合物太阳能电池的基本工作原理12-13
• 1.2.3 聚合物太阳能电池的主要参数13-14
• 1.3 聚合物太阳能电池的研究进展14-32
• 1.3.1 新型给体和受体材料的合成14-22
• 1.3.2 成膜形貌的改善22-25
• 1.3.3 界面优化25-29
• 1.3.4 倒置结构的设计29-32
• 1.4 本论文的工作32-34
• 第2章 低温蒸镀法制备聚合物太阳能电池的高氯酸铯阴极修饰层34-45
• 2.1 CsClO4阴极修饰层的制备及特性分析34-40
• 2.1.1 实验过程34-36
• 2.1.2 结果与分析36-38
• 2.1.3 对比实验38-40
• 2.2 机理分析与验证40-43
• 2.2.1 机理分析40-41
• 2.2.2 单电子器件的制备及其结果41-43
• 2.3 本章小结43-45
• 第3章 溶液法制备倒置聚合物太阳能电池的顶电极修饰层45-64
• 3.1 倒置器件中ZnO阴极修饰层的制备及特性分析45-52
• 3.1.1 实验过程45-46
• 3.1.2 结果与分析46-52
• 3.2 正置结构器件中MoO_3阳极修饰层的旋涂制备52-55
• 3.2.1 MoO_3阳极修饰层制备52-53
• 3.2.2 结果与分析53-55
• 3.3 旋涂法制备倒置结构器件的MoO_3阳极修饰层55-62
• 3.3.1 实验过程56
• 3.3.2 结果与分析56-62
• 3.4 本章小结62-64
• 第4章 总结与展望64-65
• 致谢65-66
• 作者简介66-67
• 参考文献67-72

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