基于氧化石墨烯/P3HT有机太阳能电池研究

【摘要】：由于有机聚合物太阳能电池的转换效率较低,可以通过对不同活性材料的设计和选择方法的改进,使有机聚合物太阳能电池的性能上有所突破,缓解亟待解决的能源危机。氧化石墨烯材料是通过sp2杂化碳原子成键,具有蜂窝状的二维平面结构。当氧化石墨烯与高分子材料复合的时候,能够形成相当大的界面,提高激子的扩散速率和载流子的迁移率,并且不会造成电荷传输路径破坏而产生的二次聚集。因此,石墨烯是有机聚合物太阳能电池的受体材料的一个非常好的选择。本文的主要研究内容如下： 1、采用Hummers法制备氧化石墨烯,使石墨烯的层数、尺寸和缺陷得到有效的控制。采用SEM、TEM、AFM、偏光显微镜和Raman光谱对其形貌进行了表征,XRD、FT-IR对其化学结构进行了分析。经过分析可以说明所制备的氧化石墨烯横向尺寸达到微米级,在厚度方向上可达到1nm左右,且其表面粗糙,制得的氧化石墨烯层数平均在1-3层；氧化石墨烯薄膜受热力学涨落影响明显,表面呈明显褶皱起伏状,具有大的比表面积。由于氧化石墨烯不溶于有机溶剂,我们采用异氰酸苯酯处理氧化石墨烯,使石墨氧化物片层减少亲水性,进而使其在有机溶剂可溶。 2、将P3HT作为给体材料,以氧化石墨烯作为受体材料,制备了结构为ITO/ PEDOT:PSS/P3HT:SPFGraphene Oxide/LiF/Al的有机太阳能电池,以提高太阳能电池器件的效率,研究不同氧化石墨烯浓度与开路电压、短路电流和填充因子的关系。在常温下通过模拟光源对电池进行测试,当氧化石墨烯浓度为2.5%、5%、10%和15%时,器件光电转换效率分别是0.05%、0.06%、0.11%和0.1%,短路电流和开路电压的变化范围分别是0.42～0.68 mA/cm2和0.5～0.82 V。器件的开路电压、短路电流和光电转换效率呈现先增大,逐渐达到一个峰值,然后减小的趋势。 3、通过研究氧化石墨烯的差重分析曲线,发现了退火温度与重量变化的关系,和退火温度对材料的影响。研究器件经过160℃,10min和160℃,20min的不同退火处理后对器件的I-V特性的影响。经过测试可以看出,电池的开路电压,短路电流以及效率得到了明显的提升,其中短路电流提升了一个数量级左右。掺杂浓度为10%的器件经过160℃,10min的退火处理对器件性能的提高最明显,器件的开路电压为0.92V,短路电流为4.1 mA/cm2,填充因子为0.32,效率达到最高值1.2%。 【关键词】：氧化石墨烯 Hummers法 P3HT 有机大阳能电池
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 致谢5-6
• 中文摘要6-7
• ABSTRACT7-9
• 目录9-11
• 第一章 绪论11-13
• 1.1 引言11
• 1.2 本文的研究内容11-13
• 第二章 有机聚合物太阳能电池和石墨烯的基本理论13-26
• 2.1 有机聚合物太阳能电池概述13-21
• 2.1.1 引言13-14
• 2.1.2 有机聚合物太阳能电池发展现状14-15
• 2.1.3 有机聚合物太阳能电池的基本工作原理15-18
• 2.1.4 有机聚合物太阳能电池的优缺点18
• 2.1.5 不同结构有机聚合物太阳能电池18-20
• 2.1.6 有机聚合物太阳能电池材料的研究进展20-21
• 2.2 石墨烯的概述21-26
• 2.2.1 引言21-23
• 2.2.2 石墨烯的性质23-24
• 2.2.3 石墨烯在太阳能电池中的应用24-26
• 第三章 氧化石墨烯的制备及表征26-40
• 3.1 石墨烯的制备方法26-29
• 3.1.1 机械剥离法26
• 3.1.2 外延生长法26-27
• 3.1.3 碳化硅热解法27
• 3.1.4 氧化还原法27-28
• 3.1.5 碳纳米管切开法28-29
• 3.2 氧化石墨烯的制备29-31
• 3.2.1 实验原料与药品29
• 3.2.2 实验仪器29-30
• 3.2.3 氧化石墨烯的制备30-31
• 3.2.4 氧化石墨的异氰酸酯化31
• 3.3 结果与讨论31-39
• 3.3.1 氧化石墨烯的XRD分析31-32
• 3.3.2 氧化石墨烯的FT-IR分析32-33
• 3.3.3 氧化石墨烯的偏光显微镜分析33-34
• 3.3.4 氧化石墨烯的SEM分析34-35
• 3.3.5 氧化石墨烯的TEM分析35-36
• 3.3.6 氧化石墨烯的AFM分析36-37
• 3.3.7 氧化石墨烯的Raman分析37-38
• 3.3.8 苯基异氰酸酯处理氧化石墨烯结果分析38-39
• 3.4 本章小结39-40
• 第四章 氧化石墨烯/P3HT有机太阳能电池的制备及测试40-57
• 4.1 有机聚合物太阳能电池Ⅰ-Ⅴ特性和性能参数40-42
• 4.1.1 开路电压40-41
• 4.1.2 短路电流ISC41
• 4.1.3 填充因子FF41-42
• 4.1.4 有机太阳能电池的能量转换效率42
• 4.2 器件的制备和测试42-44
• 4.2.1 器件的结构42-43
• 4.2.2 实验仪器43
• 4.2.3 电池器件的制备43-44
• 4.2.4 器件的测试44
• 4.3 结果与讨论44-55
• 4.3.1 器件的光谱分析44-47
• 4.3.2 器件的光伏性质47-49
• 4.3.3 热处理对器件性质的影响49-55
• 4.4 本章小结55-57
• 第五章 结论57-59
• 参考文献59-63
• 作者简历63-65
• 学位论文数据集65

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