基于单壁碳纳米管和单层石墨的有机光伏电池的研究

论文摘要

碳纳米管作为具有极高电荷传输能力的一维纳米导线,人们已经将其广泛用于光电子器件如场效应晶体管,有机光伏电池等的制备。而碳纳米管在光伏器件活性层中的分散很差,这大大影响器件的性能。本章工作采用一种侧链中带有萘环的新型的聚苯撑乙炔（PPE）共轭高分子材料对SWNTs实现了良好的分散。使用SWNTs/PPE作为有机光伏电池的活性层材料,我们制作了光伏电池,其结构为ITO（～17 ? sq-1）/ PEDOT:PSS（30 nm）/ PPE:SWNTs（100 nm）/ LiF（1 nm）/ Al（80 nm）。我们获得了开路电压为1.04 V,短路电流为0.25 mA cm-2,与而具有相同结构的基于P3OT/SWNTs的光伏电池转化率相当（开路电压为0.6 V,短路电流0.3 mA cm-2）,而电压很高。单层石墨是具有二维结构单原子厚度的单晶,它作为一个零带隙的半导体材料,在室温下它的电子迁移率达到15,000 cm2 V-1 s-1。本工作中,我们将有机可溶解的单层石墨材料作为新型受体材料与P3HT和P3OT复合用在本体异质结有机光伏电池中。这种功能化的单层石墨可以很容易的溶解在有机溶剂中与P3HT或P3OT形成均一分散的复合材料。单层石墨与P3HT或P3OT之间具有很强的电子相互作用和能量转移,这就使它能作为一种有效的受体材料用在本体异质结光伏电池中。通过控制对基于单层石墨/P3HT的光伏器件的热处理可以显著提高它的光电转化效率,在AM1.5G强度为100 mW的模拟太阳光的照射下,具有ITO（17 ? sq-1）/PEDOT:PSS（40 nm）/P3HT:单层石墨（100 nm）/LiF（1 nm）/Al（70 nm）结构器件产生的Voc为0.70 V,Jsc为4.0 mA-2,η为1.1%。影响光伏器件性能的诸多因素当中,电荷的收集是一个非常重要的因素。为改善空穴在电极处的收集,人们通常使用PEDOT:PSS作为缓冲层来修饰铟锡玻璃（ITO）电极。因此PEDOT:PSS缓冲层的电学性质对整个器件的性能具有至关重要的影响。我们将单层石墨引入到光伏器件的活性层之中并制备了具有ITO/缓冲层（40 nm）/ P3HT:PCBM （1:0.6, 100 nm）/LiF （1 nm）/Al （70 nm）的器件。该器件显示出了3.8%的能量转化效率,比基于纯的PEDOT:PSS缓冲层的器件性能（2.1%）高出将近80%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 有机光伏电池的最新进展
• 1.1.1 有机光伏电池的原理与存在的问题
• 1.1.2 从增加对太阳能的吸收所做的工作
• 1.1.3 改善激子分离效率所做的工作
• 1.2 问题的提出，方案设想和本文的工作
• 1.2.1 改善光伏器件活性层中受体材料SWNTs 的分散的设想
• 1.2.2 尝试使用单层石墨作为有机光伏电池的受体材料的探索
• 第二章 基于单壁碳纳米管/聚苯撑乙炔的有机光伏电池的研究
• 2.1 前言
• 2.1.1 碳纳米管简介
• 2.1.1.1 碳纳米管的制备方法
• 2.1.1.2 碳纳米管的结构特征
• 2.1.1.3 碳纳米管的性质及应用
• 2.1.2 碳纳米管用作有机光伏电池的当前进展
• 2.1.3 问题的提出
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 原料与药品
• 2.2.2 仪器
• 2.2.3 测试
• 2.2.4 光伏电池的制备
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 PPE 能级的测定
• 2.3.2 PPE/SWNTs 光伏性质的测定
• 2.3.3 PPE/SWNTs 和P30T/SWNTs 活性层中SWNTs 的分散
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于单层石墨/聚噻吩的有机光伏电池的研究
• 3.1 前言
• 3.1.1 单层石墨的性质简介
• 3.1.2 单层石墨的制备
• 3.1.2.1 物理剥离法:
• 3.1.2.2 化学插层法:
• 3.1.2.3 化学生长法
• 3.1.2.4 化学氧化法
• 3.1.3 单层石墨的应用:
• 3.1.4 问题的提出
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 原料与药品
• 3.2.2 仪器
• 3.2.3 单层氧化石墨的制备
• 3.2.4 单层氧化石墨的异氰酸酯化
• 3.2.5 光伏器件的制备:
• 3.2.6 测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 单层氧化石墨的制备及其功能化
• 3.3.2 P3HT/单层石墨的荧光光谱分析
• 3.3.3 单层石墨/P3HT 的光伏性质
• 3.3.4 热处理对P3HT/单层石墨性质的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于单层石墨-PEDOT:PSS 复合材料缓冲层的有机光伏电池的研究
• 4.1 前言
• 4.1.1 PEDOT:PSS 简介
• 4.1.2 PEDOT:PSS 的合成及性质
• 4.1.3 PEDOT:PSS 的应用
• 4.2 问题的提出
• 4.3 实验部分
• 4.3.1 原料与药品
• 4.3.2 仪器
• 4.3.3 光伏器件的制备:
• 4.3.4 测试
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 单层氧化石墨（GO）的原子力分析
• 4.4.2 基于单层石墨/PEDOT:SS 有机光伏电池
• 4.4.3 热处理对以PEDOT:PSS/GO 缓冲层光伏器件性能的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 全文结论及展望
• 5.1 全文结论
• 5.1.1 基于PPE/SWNTs 有机光伏电池的制备
• 5.1.2 基于单层石墨受体材料的光伏器件的制备
• 5.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢