退火及碘掺杂对提高聚合物太阳能电池性能的研究

【摘要】：1986年,C.W. Tang提出了双层有机太阳能电池的结构；1995年,Heeger提出了体异质结太阳能电池的概念；二十一世纪,聚合物太阳能电池能量转换效率超过7%。经过二十多年的发展,聚合物太阳能电池取得了一个又一个的突破。本论文以P3HT:PCBM体系聚合物太阳能电池为主体,研究退火和碘掺杂前后器件性能的变化,分析了退火和碘掺杂对该体系太阳能电池性能的影响。得到以下两个结论：i)基于P3HT:PCBM的聚合物太阳能电池经过120℃、10min退火处理后,能量转换效率提高,从0.26%到2.00%；ii)有源层P3HT:PCBM中掺杂了质量比为5%的碘,短路电流密度从4 mA/cm2上升到8.7 mA/cm2,能量转换效率提高了38.5%。对比这两组实验,发现退火和碘掺杂都有效地提高了聚合物太阳能电池的性能。具体实验结果如下： 利用旋涂方法制备了以P3HT:PCBM为有源层的聚合物太阳能电池。器件结构为ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al,研究了退火温度对聚合物太阳能电池性能的影响。实验发现：聚合物薄膜经过120℃、10min退火处理后,开路电压达到0.64V,短路电流密度为10.25 mA/cm2,填充因子38.1%,光电转换效率达到2.00%。为了讨论其内在机制,对不同退火条件下聚合物薄膜进行了各种表征。从紫外-可见吸收光谱中发现,退火处理使P3HT:PCBM混合薄膜在可见光范围内吸收加强且吸收峰展宽,特别是在560和610 nm处的吸收强度明显增大；X射线衍射(XRD)结果表明,12℃退火后P3HT在(100)晶面上的衍射强度是未退火薄膜的2.8倍,有利于光生载流子的输运；原子力显微镜(AFM)研究结果表明,退火增大了P3HT:PCBM薄膜的相分离程度,提高了激子解离的几率；傅里叶变换红外(FTIR)光谱验证了退火并没有引起聚合物材料物性的变化。 通过对有源层P3HT:PCBM进行不同比例的碘掺杂,制备了体异质结太阳能电池。当掺杂质量比为5%时得到最佳的性能,短路电流密度从4 mA/cm2上升到8.7mA/cm2,伴随着开路电压的略微减小,从0.63 V下降到0.52 V。最佳的能量转换效率达到1.51%。主要归因于可见光吸收的加强(吸收光谱红移、展宽),以及更好的载流子传输和收集。利用AFM测试了不同碘掺杂浓度有源层薄膜的相分离和表面形貌。掺杂了碘以后薄膜表面的相分离程度和表面粗糙度增大,有利于激子的解离,提高了P3HT:PCBM聚合物太阳能电池的性能。 【关键词】：聚合物太阳能电池 P3HT:PCBM 退火处理 掺杂
【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
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-9
• 序9-12
• 第一章 引言12-25
• 1.1 有机太阳能电池的简介12-13
• 1.2 国内外有机太能电池的最新进展13-18
• 1.2.1 能量转换效率的发展13-15
• 1.2.2 有机太阳能电池的不同结构15-18
• 1.3 常见有机太阳能电池的给/受体材料18-20
• 1.3.1 给体材料18-20
• 1.3.2 受体材料20
• 1.4 基于P3HT:PCBM的聚合物太阳能电池20-24
• 1.4.1 聚合物太阳能电池的理论基础21-22
• 1.4.2 P3HT:PCBM体系开路电压的影响因素22
• 1.4.3 P3HT:PCBM体系短路电流密度的影响因素22-24
• 1.4.4 串、并联电阻对聚合物太阳能电池性能的影响24
• 1.5 本章小结24-25
• 第二章 退火对提高有机太阳能电池性能研究的最新进展25-33
• 2.1 在退火方面研究较多的给/受体材料和器件结构25
• 2.2 退火提高有机太阳能电池的性能25-27
• 2.2.1 退火提高器件性能的实验结果26-27
• 2.2.2 研究退火条件对器件性能的影响27
• 2.3 退火的影响因素分析27-32
• 2.3.1 AFM、XRD和TEM表征退火前后有源层的变化28-30
• 2.3.2 退火对光学特性的影响30-31
• 2.3.3 退火后载流子迁移率提高31
• 2.3.4 退火动力学过程的模型31-32
• 2.4 本章小结32-33
• 第三章 退火对提高聚合物太阳能电池性能的机理研究33-40
• 3.1 器件的制备过程33-34
• 3.2 退火对提高聚合物太阳能电池性能的机理分析34-39
• 3.2.1 退火对P3HT:PCBM薄膜光学特性的影响34-36
• 3.2.2 退火对P3HT:PCBM薄膜的微纳结构的影响36-38
• 3.2.3 退火对P3HT:PCBM薄膜光电和光伏特性的研究38-39
• 3.3 本章小结39-40
• 第四章 碘掺杂对提高聚合物太阳能电池性能的研究40-53
• 4.1 碘掺杂想法的由来和器件的制备过程40-42
• 4.1.1 碘掺杂想法的由来40-41
• 4.1.2 器件的制备过程41-42
• 4.2 实验结果42-45
• 4.2.1 实验的前期探索42-43
• 4.2.2 实验的优化43-45
• 4.3 分析与讨论45-52
• 4.3.1 碘掺杂对给体材料P3HT载流子迁移率的影响45-46
• 4.3.2 碘掺杂对P3HT:PCBM薄膜光伏特性的研究46-50
• 4.3.3 碘掺杂对器件串、并联电阻及光生电流的影响50-52
• 4.4 本章小结52-53
• 第五章 结论53-54
• 参考文献54-58
• 附录A58
• 索引58-59
• 作者简历59-61
• 学位论文数据集61

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