基于MoO_3薄膜界面修饰层对有机太阳能电池性能的影响

【摘要】：有机太阳能电池具有材料来源丰富,生产工艺简单,可制成用途广泛的柔性器件等优点,是未来能够得到大面积推广使用,缓解人类能源和环境危机的一种重要的新能源。近年来,人们通过设计新的活性层材料,改进器件的结构不断地提高有机太阳能电池的能量转换效率,目前实验室报道的单层结构的聚合物太阳能电池的光电转换效率最高达9.2%。然而要使有机太阳能电池真正成为一种实用低价的光伏技术,.其能量转换效率和器件工作寿命都必须进一步提升。在有机光伏器件中,连接电极与活性层的界面修饰层对器件的光伏性能和空气稳定性都有着非常重要的影响。因此,开发能级匹配,工艺兼容的新型界面修饰材料具有很重要的意义,正成为新的研究热点。 复合结构的阳极界面材料通过材料组分选择、材料比例的改变可实现对复合材料光学、电学性质以及表面形貌的精细调控,因为复合材料可结合各组分的优点,弥补单一材料的缺陷。这些性质使得复合结构的界面修饰材料在有机太阳能电池的界面修饰领域有着非常重要的应用潜力。本论文以MoO3为基础,围绕器件的阳极界面修饰,创新性地制备了MoO3-Au复合材料,研究了不同质量分数的Au掺杂对复合薄膜性质的影响,并用于聚合物太阳能电池的阳极界面修饰,有效提高了器件的光伏性能和空气稳定性。 论文第一章综述了有机太阳能电池的工作原理和器件结构,介绍了有机太阳能电池的界面工程,最后一节突出了界面修饰层的结构演变。 论文第二章我们采用真空热蒸发的方式制备了MoO3薄膜,并用开尔文探针力显微镜表征了其功函数；通过器件优化,我们制备了基于MoO3阳极界面修饰的有机小分子太阳能电池5,5'-bis{5-Octyl-2-(2,5-thiophenyl)-4H-thieno[2,3-c] pyrrole-4,6-dione}-3,3'-di-octylsilyene-2,2'-bithiophene:[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (DTS(TTPD)2:PC6,BM)和聚合物太阳能电池poly(3-hexyl thiophene)(P3HT):PC61BM,在这两种体系的有机太阳能电池中都取得了比传统阳极界面材料poly(3,4-ethylene dioxythiophene):poly(styrenesulfonate)(PEDOT:PSS)修饰的参照器件更好的光伏性能。 论文第三章我们制备了具有不同Au含量的MoO3-Au复合材料,通过全面的性能表征我们发现Au含量越高,复合薄膜的电导率也越高而透光率和有效功函数却越低。我们选取了Au质量分数为30%的复合薄膜用于修饰P3HT:PC61BM聚合物太阳能电池的阳极界面。实验发现,MoO3-Au复合薄膜结合了MoO3的高功函数和优异的界面能级对齐的优势,以及Au高表面能和平滑薄膜的特点。因此,MoO3-Au复合薄膜相比于纯MoO3薄膜不仅保证了低的活性层/电极界面的接触电阻而且降低了器件的漏电流,增大了器件的并联电阻,体现出优于纯MoO3薄膜的界面修饰性能。 论文第四章中我们按照标准的有机光伏器件稳定性测试协议,研究了不同阳极界面层对聚合物电池空气稳定性的影响。研究发现,MoO3薄膜中掺入Au之后,薄膜与空气中的水分和氧分的相互作用没有发生明显的变化。MoO3-Au复合器件空气稳定性更好的原因是复合薄膜中的Au为器件活性层/阳极界面空穴的提取和传输提供了一条稳定的路径,弥补了MoO3薄膜电学和界面性质空气不稳定这一缺陷。 【关键词】：有机太阳能电池 阳极界面修饰 复合结构 空气稳定性
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目录9-11
• 1 绪论11-34
• 1.1 引言11-12
• 1.2 有机太阳能电池的工作原理和器件结构12-15
• 1.3 有机太阳能电池的电极界面工程15-21
• 1.4 有机太阳能电池界面修饰层结构的演变21-27
• 1.5 课题的提出及意义27-28
• 1.6 参考文献28-34
• 2 纯MoO_3薄膜在有机太阳能电池中的应用34-47
• 2.1 引言34-35
• 2.2 基于溶液旋涂的本体异质结有机太阳能电池的标准制备和表征35-38
• 2.2.1 器件制备35-37
• 2.2.2 器件表征37-38
• 2.3 纯MoO_3薄膜在不同体系的有机太阳能电池中的应用38-43
• 2.3.1 纯MoO_3薄膜用于修饰小分子太阳能电池的阳极界面38-41
• 2.3.2 纯MoO_3薄膜用于修饰聚合物太阳能电池的阳极界面41-43
• 2.4 本章小结43
• 2.5 参考文献43-47
• 3 MoO_3-Au复合薄膜的制备、表征及在聚合物太阳能电池中的应用47-60
• 3.1 引言47-48
• 3.2 实验部分48-50
• 3.2.1 实验用料和表征仪器48-49
• 3.2.2 MoO_3-Au复合薄膜和相应聚合物太阳能电池的制备49-50
• 3.3 结果与讨论50-56
• 3.3.1 Au掺杂对MoO_3薄膜光学、电学性能的影响50-53
• 3.3.2 MoO_3-Au复合阳极界面层对聚合物太阳能电池光伏性能的影响53-56
• 3.4 本章小结56-57
• 3.5 参考文献57-60
• 4 不同阳极界面层对有机太阳能电池空气稳定性的研究60-70
• 4.1 前言60-61
• 4.2 实验部分61-62
• 4.2.1 器件的制备61-62
• 4.2.2 器件稳定性测试62
• 4.3 结果与讨论62-66
• 4.4 本章小结66-67
• 4.5 参考文献67-70
• 5 主要结论与创新点70-72
• 作者简介72
• 在学期间所取得的科研成果72-73

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