有机太阳能电池结构设计与性能改善研究

【摘要】：有机太阳能电池因其成本低、无污染、制备简单、易于实现柔性器件等优点而成为了近年来的研究热点。虽然有机太阳能电池的效率已经突破了10%,但与无机太阳能电池相比仍有巨大的差距。为了实现有机太阳能电池的商业应用,必须进一步提高其能量转换效率。本论文通过对有机小分子太阳能电池物理过程的研究和新的器件结构设计来提高有机光伏太阳能电池效率,主要研究工作集中在以下几个方面:1.研究了给体低浓度掺杂体异质结太阳能电池的光伏性能。我们将一系列的给体材料如NPB、CBP、m-MTDATA、Cu Pc和TCTA以不同的浓度掺入C60受体基质中,发现掺杂浓度对器件性能影响很大。最佳的光伏性能在给体浓度为5%左右的时候获得。研制的以NPB作为给体的低掺杂浓度的体异质结器件的能量转换效率达到了2.25%,比平面异质结器件提高了一倍。我们发现不同给体的低掺杂浓度的体异质结器件性能差异主要是因为它们的HOMO能级不同造成的。我们发现最佳的给体与受体的HOMO能级差为0.8 e V左右。在这一发现的基础上,我们使用Sub Pc作为低浓度掺杂体异质结器件的给体,C70作为受体制作子电池,Bphen/Ag/F16Cu Pc/Mo O3作为连接层,制备出效率达到7.66%的高效率叠层电池。实验中发现F16Cu Pc对于扩大连接层中的复合区,促进载流子的收集具有重要的作用。最终,叠层器件与单个器件相比能量转换效率提高了38%。2.Ag纳米颗粒对倒置小分子太阳能电池性能改善研究。我们将Ag纳米颗粒通过热蒸发的方法制备到倒置小分子太阳能电池中,将倒置小分子太阳能电池的效率提高了33%。我们证明了Ag纳米提高倒置电池性能的原因一方面是因为局域表面等离激元共振作用提高了器件的吸收,另一方面是因为Ag纳米对ITO表面的修饰作用和对器件电学性能的改善促进了电荷收集。3.电极缓冲层对器件性能的改善研究。我们设计出Bphen/Mo O3复合阴极缓冲层,并将其成功应用到有机太阳能电池中。与传统的只使用Bphen作为阴极缓冲层的参考器件相比,使用Bphen/Mo O3复合阴极缓冲层器件的能量转换效率和寿命均获得了大幅的提高。另一方面,通过在给体Sub Pc之前插入2 nm的CBP,我们制备出高效率的平面异质结电池。插入CBP后,电池的短路电流迅速从5.32 m A/cm2提高到7.53 m A/cm2,提高幅度达到了41%。在电池开路电压和填充因子保持不变的情况下,器件的能量转换效率从3.48%提高到了5.01%。我们证明了CBP提高电池短路电流的原因是因为它在电池阳极侧的激子阻挡作用。 【关键词】：有机太阳能电池 给体低浓度掺杂 叠层电池 Ag纳米颗粒 激子阻挡层
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 太阳能电池的研究背景10-11
• 1.2 有机太阳能电池发展与挑战11-19
• 1.3 本论文的主要工作19-20
• 第二章 有机光伏基础理论知识20-43
• 2.1 有机太阳能电池的分类与工作原理20-25
• 2.2 有机太阳能电池的界面修饰25-30
• 2.3 有机太阳能电池的结构30-38
• 2.4 有机太阳能电池性能表征与物理模型38-43
• 第三章 给体低浓度掺杂体异质结电池性能研究43-71
• 3.1 本章引言43-47
• 3.2 实验方法47-48
• 3.3 结果与讨论48-69
• 3.4 本章小结69-71
• 第四章Ag纳米颗粒在倒置小分子太阳能电池中的应用71-86
• 4.1 本章引言71-74
• 4.2 实验方法74
• 4.3 结果与讨论74-84
• 4.4 本章小结84-86
• 第五章 电极缓冲层对电池的性能改善研究86-102
• 5.1 本章引言86-87
• 5.2 实验方法87
• 5.3 结果与讨论87-101
• 5.4 本章小结101-102
• 第六章 结论与展望102-104
• 6.1 全文总结102-103
• 6.2 研究展望103-104
• 参考文献104-115
• 在学期间学术成果情况115-116
• 指导教师及作者简介116-117
• 致谢117

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