基于P3HT和PCBM有机太阳能电池的制作工艺和衰减性能的研究

【摘要】：有机聚合物太阳能电池和传统的太阳能电池相比有其显著的优点，如材料来源广泛，重量轻，制作工艺简单，成本低廉，能大面积的生产等。具有巨大的市场优势，成为近年来在太阳能领域研究的热点。 本论文主要围绕以3-己基噻吩(P3HT)和富勒烯衍生物（PCBM）作为有机活性层的给体和受体材料。详细研究了未封装的有机太阳能电池的性能随时间衰减的规律，并初步研究了不同的退火温度对活性层和有机太阳能电池性能的影响。在原来的基础上，改善有机太阳能电池的结构，发现可以提高有机太阳能电池的性能。 首先，作者研究了透明电极铟锡氧化物(ITO)的刻蚀。研究发现,ITO薄膜在刻蚀的过程中受到多种因素的影响，如ITO基板的清洗，光刻胶的旋涂条件，预烘烤的温度和时间，曝光和显影的时间的长短，以及在湿法刻蚀中采用的不同条件等因素的影响。研究发现，清洗的ITO基板能提高光刻胶的附着度。旋涂仪转速设置为2000pm/s时，烘烤温度80℃，时间为20分钟，以及曝光时间和显影时间分别是17s和2min最好。采用酸刻蚀时，Hcl和H_2O配比满足3:1，用FeCl_3·H_2O作为催化剂。刻蚀的电极出的形状最好。 然后，作者研究了未封装的有机太阳能电池的开路电压、短路电流密度、填充因数和光电转化效率随时间衰减的变化关系。研究发现,开路电压和短路电流密度随时间衰减满足指数二次关系，而光电转化效率则是呈现出三次衰减的趋势，但是填充因数几乎呈现出Z字型的变化趋势。未封装的有机太阳能电池的性能衰减很快，因此在实际应用中必须解决电池的寿命和稳定性的问题。 其次，通过对活性层实施不同温度的退火，发现活性层通过退火后可以提高的光的透过率和减少光的反射率。活性层在80℃，120℃，140℃的温度下退火，用XRD分析发现140℃时活性层的结晶度最好,在140℃退火条件下活性层制作的有机太阳能电池的光电转化效率最佳。 最后，作者在P3HT:PCBM的基础上，在铝电极和活性层之间再加入一层P3HT涂层，研究了电池的有关性能。研究发现有机太阳能电池的开路电压，短路电流和光电转化效率都有明显的提高,尤其是开路电压提了50%。然而填充因数则是表现出减少的趋势。 【关键词】：有机太阳能电池 开路电压 短路电流 填充因数 转化效率 退火
【学位授予单位】：河南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-14
• 第二章 太阳能电池的工作原理14-30
• 2.1 太阳能电池14-15
• 2.1.1 根据结构分类14
• 2.1.2 根据材料分类14-15
• 2.1.3 按照转化机理分类15
• 2.2 半导体的基本知识15-22
• 2.2.1 载流子15-16
• 2.2.2 电子和空穴16-17
• 2.2.3 光的吸收17-18
• 2.2.4 光伏效应18-22
• 2.3 有机太阳能的电池的工作原理22-30
• 2.3.1 太阳能电池的重要特性24-25
• 2.3.2 太阳能电池的输出特性25-30
• 第三章 太阳能电池器件的制作30-42
• 3.1 制作工艺30-31
• 3.2 器件结构31-36
• 3.3 制作有机太阳能电池的材料36-42
• 3.3.1 阳极材料36-37
• 3.3.2 阳极电极修饰层37
• 3.3.3 活性层材料37-40
• 3.3.4 阴极材料40-42
• 第四章 ITO 玻璃的刻蚀42-48
• 4.1 引言42
• 4.2 实验仪器和材料42
• 4.3 实验流程42-48
• 4.3.1 ITO 玻璃基板的清洗42-43
• 4.3.2 旋涂光刻胶43-44
• 4.3.3 预烘44
• 4.3.4 曝光44-45
• 4.3.5 显影45
• 4.3.6 坚膜45
• 4.3.7 刻蚀45-46
• 4.3.8 去膜46-47
• 4.3.9 清洗47-48
• 第五章 有机太阳能电池衰减特性的研究48-56
• 5.1 引言48-49
• 5.2 器件的制备和测量49-50
• 5.2.1 材料和检测仪器49
• 5.2.2 器件的制作和检测49-50
• 5.3 结果和讨论50-55
• 5.4 小结55-56
• 第六章 退火温度和结构对电池性能的影响56-66
• 6.1 引言56-57
• 6.2 器件的制备和测量57-59
• 6.2.1 需要的材料和检测仪器57
• 6.2.2 样品的准备和测量57-59
• 6.3 结果和讨论59-64
• 6.3.1 退火对有机太阳能电池的影响59-63
• 6.3.2 结构的改善对有机太阳能电池的影响63-64
• 6.4 小结64-66
• 参考文献66-68
• 致谢68-70
• 攻读学位期间发表的学术论文70-71

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