高效稳定的有机太阳能电池的界面研究

【摘要】：有机太阳能电池因其操作工艺简单、材料来源广泛、能够制备大面积柔性器件、生产成本低廉等而受到大家的广泛关注。在现在能源匮乏的时代,有机太阳能电池的研究对于新能源的开发和应用具有重要意义和潜在价值。目前有机聚合物太阳能电池的转化效率已经达到12.0%以上,但是还有很多问题亟待解决,特别是有机聚合物太阳能电池的稳定性问题;而且目前广泛使用的界面材料大部分使用有机溶剂溶解,不利于生态环境的发展。有机无机杂化太阳能电池效率虽然已经达到20%,但是还有很多问题没有研究清楚。为了解决这些问题,我的研究工作旨在提高有机太阳能电池的效率和稳定性,并从环境保护的角度研究和开发对环境友好的器件制备新工艺,以及从器件物理的角度加深对器件机理的理解。研究内容主要包括以下几个方面:1.用去离子水作为“绿色”溶剂,制备了一系列的水溶性界面材料。这些材料成功地取代了PEDOT:PSS,提高了器件性能,特别是提高了聚合物太阳能电池的稳定性。我们制备的水溶性界面材料主要包括过渡金属氧化物MoO3、V2O5,非过渡金属氧化物GeO2等。用水溶性MoO3制备的器件效率和基于PEDOT:PSS的器件相当,但是器件的稳定性得到了很大的提高;而用V2O5和GeO2制备的器件的无论是效率还是稳定性都比基于PEDOT:PSS的器件高。通过对器件光场分布的模拟计算,可以观察到在模拟的V2O5和GeO2薄膜器件中,光场强度都很高。同时,我们发现基于水溶性的V2O5和GeO2的器件复合率较小,载流子寿命较长,而且和ITO的界面接触电阻小。2.Cs2CO3由于其高电子注入能力,被广泛运用于有机电致发光器件中。Cs2CO3在极性溶剂中有很好的溶解度,可以进行溶液加工。因此,我们用水溶性MoO3和Na2WO4对Cs2CO3进行掺杂以调节Cs2CO3的能级。掺杂过后的阴极界面层被成功地运用在P3HT和IC60BA体系的聚合物太阳能电池中。和纯的Cs2CO3相比,器件的Voc明显升高了,器件的效率从3.27%提高到5.25%。我们用X-射线光电子能谱仪(XPS)和紫外光电子能谱仪(UPS)对其能级进行了进一步探索。在水溶性MoO3和Na2WO4掺杂的Cs2CO3薄膜材料中,我们发现了新的物质的生成即Cs的复合体材料:Cs-O-Mo和Cs-O-W。3.在聚合物太阳能电池中,活性层对太阳光的吸收以及活性层中电子空穴的扩散均对活性层厚度有要求,但两者的要求不一样。因此,我们需要控制活性层的厚度,使之在这两方面能达到一个平衡。而金属纳米粒子的局域等离子共振可通过入射太阳光和金属粒子周围电磁场所引起的共振,在不需要增加活性层厚度的情况下来增强器件的Jsc。我们把金纳米粒子和银纳米粒子掺杂在阴极界面层TiO2中,用反置的聚合物体异质结结构来研究金纳米粒子和银纳米粒子的局域等离子共振效应。在TiO2中分别掺杂金纳米粒子和银纳米粒子后,器件的开路电压基本保持不变,而器件的Jsc有所提高。在一定浓度的银纳米粒子掺杂后,器件的效率可提高到7.52%,比没有掺杂的器件效率提高了20.7%。我们系统地研究了金纳米粒子和银纳米粒子在器件中的影响,包括金属纳米粒子的尺寸、表面形貌、稳态和动态的光致发光谱、金属纳米粒子电场分布的理论计算等。4.为了改善钙钛矿型材料CH3NH3PbI3的成膜情况,我们用两步法对钙钛矿型材料进行退火,所使用的温度很低(60°C和90°C),退火时间不超过一个小时。而通常的文献报道中,退火温度都要达到100°C。如用更低的温度退火时,制备出来的器件效果不好,且退火时间超过一个小时,有的甚至用两个小时。采用我们的方法所制备出来的器件其性能得到了很大的提高。除了两步法以外,我们还用一种新的退火方式对钙钛矿型薄膜进行处理,通过慢退火逐渐升高退火的温度,用这种方法制备出来的钙钛矿型材料的薄膜结晶性好,表面平整度高,器件的平均效率可以达到13.3%,其中最高的效率可以达到14.9%。 【关键词】：水溶性材料 金属氧化物 稳定性 有机无机杂化 阻抗谱 光学模拟
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-13
• 第一章 绪论13-40
• 1.1 引言13
• 1.2 太阳能电池发展历史13-16
• 1.3 有机聚合物太阳能电池16-20
• 1.3.1 有机聚合物太阳能电池的工作原理16-17
• 1.3.2 有机聚合物太阳能电池的性能参数17-18
• 1.3.3 有机聚合物太阳能电池的界面层材料18-20
• 1.3.4 有机聚合物太阳能的发展趋势20
• 1.4 钙钛矿型太阳能电池20-24
• 1.4.1 钙钛矿太阳能电池的介绍20-22
• 1.4.2 钙钛矿太阳能电池的研究进展和发展趋势22-24
• 1.5 表面等离子共振在太阳能电池中的应用24
• 1.6 本论文中使用的一些仪器的介绍24-30
• 1.7 本论文的主要研究内容30-31
• 1.8 参考文献31-40
• 第二章 基于MoO_3水溶液的太阳能电池的研究40-53
• 2.1 引言40-41
• 2.2 实验部分41-42
• 2.2.1 实验材料41
• 2.2.2 实验仪器41-42
• 2.2.3 实验步骤42
• 2.3 结果与分析42-49
• 2.3.1 MoO_3水溶液修饰的界面层性能的变化42-47
• 2.3.2 太阳能电池的效率47-49
• 2.3.3 器件的稳定性49
• 2.4 本章小结49-50
• 2.5 参考文献50-53
• 第三章 基于GeO2的太阳能电池的界面层研究53-73
• 3.1 引言53
• 3.2 实验部分53-56
• 3.2.1 实验材料53-54
• 3.2.2 实验仪器54-55
• 3.2.3 实验步骤55-56
• 3.3 结果与分析56-67
• 3.3.1 太阳能电池的性能56-58
• 3.3.2 GeO2修饰的界面层性能的变化58-61
• 3.3.3 器件的光场分布61-63
• 3.3.4 器件的注入和复合情况63-67
• 3.4 本章小结67
• 3.5 参考文献67-73
• 第四章 水溶性材料修饰的阳极界面层的研究73-92
• 4.1 引言73-74
• 4.2 实验部分74-76
• 4.2.1 实验材料74-75
• 4.2.2 实验仪器75
• 4.2.3 实验步骤75-76
• 4.3 结果与分析76-86
• 4.3.1 水溶性界面层性能的比较76-79
• 4.3.2 单空穴器件的注入和复合情况79-82
• 4.3.3 器件的光学模拟82-84
• 4.3.4 太阳能电池效率的比较84-86
• 4.4 本章小结86-87
• 4.5 参考文献87-92
• 第五章 掺杂对Cs2CO_3界面层性能的调节92-106
• 5.1 引言92-93
• 5.2 实验部分93-94
• 5.2.1 实验材料93
• 5.2.2 实验仪器93-94
• 5.2.3 实验步骤94
• 5.3 结果与分析94-100
• 5.3.1 阴极界面层的表面形貌94-95
• 5.3.2 器件效率95-97
• 5.3.3 界面层功函数的变化97-99
• 5.3.4 新的物质的生成99-100
• 5.4 本章小结100-101
• 5.5 参考文献101-106
• 第六章 表面等离子共振在太阳能电池中的应用106-123
• 6.1 引言106-107
• 6.2 实验部分107-109
• 6.2.1 实验材料107-108
• 6.2.2 实验仪器108-109
• 6.2.3 实验步骤109
• 6.3 结果与分析109-117
• 6.3.1 器件的光伏特性109-113
• 6.3.2 器件光电流的分析113-114
• 6.3.3 金属纳米颗粒的等离子体效应114-117
• 6.4 本章小结117
• 6.5 参考文献117-123
• 第七章 钙钛矿型太阳能电池的初步研究123-143
• 7.1 引言123-124
• 7.2 实验部分124-127
• 7.2.1 实验材料124-125
• 7.2.2 实验仪器125-126
• 7.2.3 实验步骤126-127
• 7.3 结果与分析127-136
• 7.3.1 两步退火法对钙钛矿太阳能电池的影响127-128
• 7.3.2 新的退火工艺对钙钛矿型材料成膜的影响128-132
• 7.3.3 新的退火工艺制备的器件的性能分析132-136
• 7.4 本章小结136-137
• 7.5 参考文献137-143
• 第八章 总结和展望143-145
• 8.1 总结143-144
• 8.2 展望144-145
• 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文145-149
• 致谢149-151

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