反型聚合物太阳能电池的研究

论文摘要

随着世界的工业迅速发展,人类生活水平提高,我们每天都在大量消耗着地球上有限的不可再生能源,主要是天然气、煤炭和石油等化石能源。同时,化石能源燃烧后产生二氧化碳,其浓度在大气中快速增加已经严重地影响了气候,导致全球气候变暖,南北极的冰川融化等。因此及早寻找清洁的可再生的能源为替代能源势在必行。代替能源主要有水能、风能、地热能、潮汐能、核能、太阳能等,其中太阳能具有清洁,取之不尽,用之不竭,无需成本,分布广泛等优点,备受人们关注。光伏太阳能电池是直接将太阳辐射能转化为电能的一种装置,它被认为是利用太阳能的最佳方式之一,并且它不释放出二氧化碳,是绿色能源的代表。太阳能电池中无机太阳能电池具有高的光电转换效率,但是由于其制备工艺复杂、生产成本高等软肋,限制了它大面积的推广和应用。有机聚合物太阳能电池,以有机聚合物材料为活性层,具有材料来源广泛、重量轻、制备工艺简单、可大面积成膜、柔性等优点而成为人们近年来关注的热点。传统的聚合物太阳能电池,PEDOT:PSS常被用作空穴传输层,旋涂在ITO玻璃衬底上,作为正极。但是,研究证明,PEDOT:PSS呈酸性,会腐蚀ITO电极,从而影响电池的稳定性。我们这里制作的电池均为基于TiO2薄膜的反型聚合物太阳能电池。本论文主要围绕半透明聚合物太阳能电池和反型聚合物并联太阳能电池展开工作。作者通过溶胶-凝胶法制备稳定的N型锐钛矿TiO2纳米晶薄膜。在这里,TiO2薄膜作为电子选择层,将会阻挡空穴从给体材料传递至ITO电极,从而可以避免电子-空穴对在界面处复合。作者使用的有源层给体材料是近年来比较热点的窄带隙聚合物材料PSBTBT、受体材料为PCBM,溶解有源层材料的有机溶剂为邻-二氯苯,阳极修饰层选用光学透明且适合收集空穴的过渡金属氧化物MoO3及WO3,使用金属Ag作为阳极电极。首先,作者将窄带隙聚合物材料PSBTBT作为有源层给体材料引入到反型结构中,制作了结构为ITO/nc-TiO2/PSBTBT:PCBM/MoO3/Ag的反型聚合物太阳能电池。PSBTBT能级为（-3.5eV.-5.0eV）,带宽为1.5eV,在600-800nm波段对光有强吸收。将制成的器件进行J-V特性测试,在AM1.5G标准太阳光照下,光照强度为100mW/cm2,开路电压Voc为0.65 V,短路电流密度Jsc为10.54 mA/cm2,填充因子FF为47.88%,能量转化效率PCE为3.28%。从太阳的光子流密度谱线中我们知道,光子数最大量集中在大于600nm的波段,PSBTBT的吸收范围正好处在这个波段。外量子效率=光子吸收效率*激子分离效率*电荷传输效率*电荷收集效率。PSBTBT的使用,提高了光子吸收效率；同时,MoO3是一种过渡金属氧化物,它的存在可以有效地阻挡电子传输空穴,提高了电荷传输效率。其次,作者首次制作了高透过率的MoO3/Ag/WO3、V2O5/Ag/V2O5的多层结构作为透明阳极,制作了阳极光透过率可调控的半透明聚合物太阳能电池,其结构为ITO/nc-TiO2/RR-P3HT:PCBM/MoO3/Ag/WO3（结构1）,ITO/nc-TiO2/RR-P3HT: PCBM/V2O5/Ag/V2O5 （结构2）。（结构1）：首先制作测试了透明阳极MoO3（1 nm）/Ag（10 nm）/WO3（x nm）复合膜,其中内层Mo03收集空穴,提高电池性能,外层WO3用来控制复合膜的光透过率。改变外层WO3厚度（厚度由0 nm变化至80 nm）时,薄膜的透射曲线出现了比较明显的红移,同时当WO3厚度为40 nm时,得到了光透过率最高的薄膜,且最高透过率出现在波长400-650nm处。制作电池器件并测试性能得到,增加外层增透膜时,器件的填充因子得到了改善,同时透明电极的最大光透过范围正好在有源层吸收处（即W03厚度为40 nm时）,且当光从ITO端入射（底入射）时,器件的短路电流密度Jsc值最小,对应的能量转化效率值PCE最小：光从MoO3/Ag/WO3端入射（顶入射）时,器件的短路电流密度Jsc值最大,对应的能量转化效率PCE值最大；（结构2）：同（结构1）类似的方式,制作测试了透明阳极V2O5 （10 nm）/Ag（13 nm）/V2O5 （x nm）复合膜,x由0 nm至80 nm改变时,薄膜的透射曲线也出现了比较明显的红移,同时当外层V2O5厚度为40 nn时,得到了光透过率最高的薄膜,且最高透过率出现在波长400-700 nm处。类似（结构1）制作器件,并对器件测试分析。如此我们获得了两种有效并且可调控光透过率的透明电极,我们可以有需求的选择一定厚度的透明电极来控制光透过范围。在制作级联电池时,可以选择适当厚度的透明电极（光底入射情况下）使其透射光正好适合透明电极上层的顶电池有源层材料吸收,而反射光正好适合底电池材料吸收利用。最后,作者利用了有源层材料对光谱吸收互补特性初步探索了两种反型聚合物并联太阳能电池,使得电池器件对光的吸收范围拓展到整个可见光波段,提高光吸收效率。器件的结构分别为ITO/nc-TiO2/PSBTBT:PCBM/MoO3/Ag/WO3/ P3HT:PCBM/LiF/Al（结构1）以及ITO/TiO2/RR-P3HT:PCBM/PbPc/MoO3/Ag（结构2）的并联电池。分析讨论了并联电池与单电池之间的关系。对于（结构1）：在AM1.5G标准太阳光照下,得出并联电池的开路电压值（0.58 V）约等于单电池中较小的电池开路电压（0.59 V）,短路电流密度（6.56 mA/cm2）约等于两单电池的短路电流密度之和（6.76 mA/cm2）,填充因子（54.94%）大小介于两单电池的填充因子（49.16%及59.79%）之间,能量转化效率（2.09%）较各单电池的能量转化效率（1.17%及1.15%）都高。对于（结构2）：通过引入PbPc及对其厚度的优化得出,在AM1.5G标准太阳光照下,当PbPc的厚度为5nm时,器件的性能达到了最佳,其开路电压Voc为0.59 V,短路电流密度Jsc为8.61 mA/cm2,填充因子FF为60.8%,能量转化效率PCE约为3.09%。同时,通过对多个并联电池的特性参数统计分析,得到了两种种实际可行、有效拓宽太阳能可利用光谱的方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 太阳能电池的分类
• 1.2 聚合物太阳能电池的发展简史
• 1.3 级联聚合物太阳能电池的现状
• 1.4 聚合物太阳能电池的原理
• 1.5 太阳能电池中的重要参数
• 1.6 本论文的研究内容
• 第二章 反型窄带隙聚合物太阳能电池的研究
• 2薄膜的介绍'>2.1 TiO₂薄膜的介绍
• 2.2 反型窄带隙聚合物太阳能电池的制作及表征
• 2.3 本章小结
• 第三章 叠层透明电极及半透明聚合物太阳能电池的研究
• 3.1 叠层透明电极的制备及表征
• 3.2 半透明聚合物太阳能电池的制备及表征
• 3.3 本章小结
• 第四章 反型聚合物并联太阳能电池的初步研究
• 4.1 体-体异质结聚合物并联电池的研究
• 4.2 面-体异质结聚合物并联电池的研究
• 4.3 本章小结
• 第五章 全文总结与展望
• 参考文献
• 附件
• 致谢
• 攻读博士学位期间所获成果