改善有机太阳能电池光电转换效率的研究

【摘要】：石油、煤炭、天然气这三大传统能源的过量使用，已经对人们的日常生活环境造成了严重的影响，酸雨、温室效应和由此引发的一系列环境污染问题、以及化石能源的不可再生性所带来的能源危机问题，已经使人们意识到了传统能源的危害性和对新能源的迫切需求。 广泛分布的、取之不竭的太阳能，出于其清洁性与可再生性，是解决这一全球性问题的有效手段。有机太阳能电池（Organic Photovoltaic，OPV）作为有效的途径之一，凭借着其制造成本低廉、材料重量轻、加工性能好，并可实现柔性，提高便携性等优势而备受好评。 1986年，C. W. Tang在Appl. Phys. Lett.上发表的文章中独创性地提出了给体、受体异质结的双层结构，为小分子有机薄膜太阳能电池的发展奠定了一个很好的基础。在此后的二十多年来，有机太阳能电池的性能不断得以改善，目前德国的Heliatek公司最新报道的有机太阳能电池的效率已超过了10%。但是与无机太阳能电池相比光电转换效率仍相差较远，提高有机太阳能电池的光电转换效率是目前乃至未来的研究重点。 提高有机太阳能电池的效率有诸多方法，从其工作原理出发，光电转换效率受制于光子的吸收效率A、激子的扩散效率ED、激子在D-A界面处的分离效率CT以及电极对载流子的收集效率CC，体异质结的引入是有效改善激子扩散效率的方法之一。但是，体异质结混合层的微观结构不是均匀一致的，成膜后给体或受体分子的连续性无法控制，所以很难保证载流子具有较好的传输性能，这在一定程度上限制了体异质结OPV光电转换效率的提高。 因此，本文基于传统的体异质结OPV结构，在混合层中引入梯度掺杂体系，在保证了较高的激子扩散效率的同时，使混合层中同一材料分子之间形成较好的连续网络结构，有效改善载流子的收集效率。 实验中我们制备了结构为ITO/CuPc(10nm)/CuPc:C60(2:1)(4nm)/CuPc:C60(1.5:1)(4nm)/CuPc:C60(1:1)(4nm)/CuPc:C60(1:1.5)(4nm)/CuPc:C60(1:2)(4nm)/C60(30nm)/Bphen(8nm)/Al(100nm)的OPV器件，在AM1.5，光功率100mW/cm2模拟太阳光照射的条件下器件的性能参数达到了VO C=0.42V，J SC=9.18mA/cm~2，与传统的体异质结结构OPV器件ITO/CuPc(10nm)/CuPc:C60(1:1)(20nm)/C60(30nm)/Bphen(8nm)/Al(100nm)相比光电转换效率P提高了25%。JSC以及P的提升归因于梯度掺杂体系的引入改善了混合层内部同一种材料分子间的连续性，提高了电极对载流子的收集效率CC，降低了器件的串联电阻RS，从而改善了器件的光电转换效率。 另外从器件的结构角度出发，阳极缓冲层常被应用到OPV器件ITO阳极与电子给体之间，可以有效地阻挡电子向阳极的迁移，从而降低器件的漏电流，改善器件的性能。本文在对比了一些目前较为常用的阻挡层材料PEDOT:PSS、MoO3、V2O5、WO3等优缺点后，采用了生长温度较低、生长速率易控制的有机材料NPB以及TPTPA作为阳极缓冲层，研究其对OPV性能的影响。 实验中我们制备了结构为ITO/buffer layer/CuPc(20nm)/C60(40nm)/Bphen(8nm)/Al(100nm)的OPV器件，对比实验结果发现TPTPA作为阳极缓冲层的器件性能得以有效提升，之后对TPTPA层的厚度进行优化，制备了结构为ITO/TPTPA(x nm)/CuPc(20-x nm)/C60(40nm)/Bphen(8nm)/Al(100nm)的四组OPV器件，x分别为2、5、10、15nm，结果显示当TPTPA层厚度为10nm时，器件的性能为最优。实验结果显示阳极缓冲层的引入利用能级的优势可有效降低器件的漏电流，但同时要考虑空穴迁移率不至于过低而影响载流子被电极的收集效率，所以兼顾二者可有效地改善OPV的性能。 【关键词】：有机太阳能电池 光电转换效率 梯度掺杂 阳极缓冲层
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-28
• 1.1 引言11-15
• 1.1.1 题目研究背景与意义11-14
• 1.1.2 太阳能14-15
• 1.2 太阳能电池15-21
• 1.2.1 太阳能电池的分类17-19
• 1.2.2 太阳能电池的性能参数19-21
• 1.3 有机太阳能电池21-26
• 1.3.1 有机太阳能电池的优势21-22
• 1.3.2 有机太阳能电池的工作原理22-24
• 1.3.3 有机太阳能电池发展史的关键历程24-26
• 1.4 本文的选题意义及思路26-28
• 第二章 梯度掺杂体系对有机太阳能电池效率的影响28-40
• 2.1 引言28-30
• 2.1.1 体异质结太阳能电池28-29
• 2.1.2 选题意义29-30
• 2.2 实验30-31
• 2.3 结果与讨论31-37
• 2.4 小结37-40
• 第三章 阳极缓冲层对有机太阳能电池效率的影响40-49
• 3.1 引言40-42
• 3.1.1 缓冲层的应用40-41
• 3.1.2 选题意义41-42
• 3.2 实验42-43
• 3.3 结果及讨论43-48
• 3.4 小结48-49
• 结论49-51
• 参考文献51-58
• 个人简介及科研成果58-59
• 致谢59

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