溶液浸泡法制备聚合物太阳能电池的阳极缓冲层及其特性研究

【摘要】：聚合物太阳能电池作为一种低成本的薄膜太阳能电池，凭借其原材料来源丰富、制作工艺简单、成本低、可设计性强以及可制作成柔性器件等特点成为最近的研究热点之一。由于目前聚合物太阳能电池的能量转换效率相对于其它种类太阳能电池偏低，所以如何提高器件效率降低其成本成为聚合物太阳能电池领域研究的重点。提高器件性能的途径主要包括优化器件结构、优化制作工艺、使用新型的给体和受体材料和优化界面缓冲层等。目前优化界面缓冲层的研究工作主要集中在两方面：一、采用新型材料作为界面缓冲层；二、改善已有材料的制备工艺，简化制作过程，降低生产成本。目前电极缓冲层的制作工艺主要有真空蒸镀、脉冲激光沉积、化学气相沉积和溶液旋涂等。溶液旋涂法和前三种方法相比所需设备简单（不需要真空设备），成本相对较低，能量消耗也较少。然而旋涂法要求衬底比较平整以保证其成膜质量，而且在旋涂过程中大量的药品被浪费，不利于成本降低。 本文采用了一种新型的溶液浸泡法制作阳极缓冲层方法：将衬底放入配制好的溶液中超声一段时间后取出，退火烘干之后即可制得缓冲层薄膜。同溶液旋涂法相比，浸泡法对衬底没有要求，适用于大面积柔性及非平板的衬底，也和现在发展潜力大的roll to roll工艺兼容，而且药品可以重复使用。由于这种方法在清洗衬底的过程就能够制备阳极缓冲层，因此简化了器件的制作工艺。 首先利用溶液旋涂法和溶液浸泡法制备了MoO_3薄层作为阳极缓冲层，并使用原子力显微镜和紫外分光光度计对其进行了表征分析，然后制备了结构为ITO/MoO_3/P3HT:PC_(60)BM/LiF/Al的聚合物太阳能电池，探索了MoO_3溶液的浓度和浸泡时间对器件特性的影响。实验结果表明，当MoO_3溶液浓度为2g/L时，器件的能量转换效率提高到了2.84%。并且采用溶液浸泡法制备的MoO_3阳极缓冲层用于聚合物太阳能电池时的效果稍高于旋涂法制备的MoO_3阳极缓冲层。当MoO_3溶液的浓度较大时，MoO_3薄层的透光性较差，导致器件的效率降低；当MoO_3溶液的浓度较小时，ITO不能被MoO_3完全覆盖，产生较大的漏电流，导致器件的开路电压和填充因子比较小，也导致器件的效率下降。实验结果还表明，浸泡时间对器件性能影响很小。 传统溶液法制备WO_3阳极缓冲层时需要较高的退火温度（高于150°C）、较长的退火时间（12h）或者WO_3薄膜存在较大的粗糙度（高于5nm），本论文实验中采用一种新方法配制了WO_3溶液，然后分别使用溶液旋涂法和溶液浸泡法制备了WO_3阳极缓冲层，并使用原子力显微镜对其进行了表征分析，制作了结构为ITO/WO_3/P3HT:PC_(60)BM/LiF/Al的聚合物太阳能电池，实验中探索了WO_3溶液的浓度和退火条件对器件特性的影响。溶液旋涂法制备的WO_3阳极缓冲层器件，当WO_3溶液浓度为0.2g/L时，器件的效率最高达到3.06%。采用溶液浸泡法制备的WO_3阳极缓冲层器件，当WO_3溶液浓度为0.02g/L时，器件的效率最高达到2.93%，采用溶液浸泡法的器件效果几乎与旋涂法相当。通过对比几种退火温度下器件的性能，发现室温（25°C）退火时的器件效率最低，当退火温度达到100°C时器件性能达到最佳，但之后随着退火温度的升高，器件的效率并没有明显的提升。此外，通过比较退火时间对器件的性能影响发现退火时间对器件性能影响不大。 【关键词】：聚合物太阳能电池 阳极缓冲层 溶液浸泡法 MoO_3 WO_3
【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
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-40
• 1.1 引言10
• 1.2 聚合物太阳能电池的结构、工作原理及主要参数10-13
• 1.2.1 器件结构10-11
• 1.2.2 器件工作原理11-12
• 1.2.3 聚合物太阳能电池的主要参数12-13
• 1.3 聚合物太阳能电池的研究进展13-29
• 1.3.1 优化器件结构14-17
• 1.3.2 优化器件制作工艺17-23
• 1.3.3 使用新型给体和受体材料23-26
• 1.3.4 优化界面缓冲层26-29
• 1.4 聚合物太阳能电池界面缓冲层的研究进展29-38
• 1.5 本论文工作38-40
• 第二章 溶液浸泡法制备 MoO_3阳极缓冲层的聚合物太阳能电池40-54
• 2.1 实验过程40-44
• 2.2 测试结果及分析讨论44-53
• 2.3 本章小结53-54
• 第三章 溶液浸泡法制备 WO_3阳极缓冲层的聚合物太阳能电池54-65
• 3.1 实验过程54-55
• 3.2 结果和分析55-63
• 3.2.1 溶液旋涂法制备 WO_3阳极缓冲层55-59
• 3.2.2 溶液浸泡法制备 WO_3阳极缓冲层59-63
• 3.3 本章小结63-65
• 第四章 总结与展望65-66
• 参考文献66-73
• 致谢73

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