有机太阳能电池制作和特性研究

论文摘要

石油,天然气和煤炭等传统能源的逐渐短缺,同时它们的使用还加剧了全球的环境恶化,能源和环境已经成为国际社会普遍关注的问题。而太阳能取之不尽,用之不竭,是洁净的可再生能源。基于半导体利用光伏效应把太阳能转换成电能的太阳能电池具有很大的潜力和希望。最为广泛采用的传统太阳能电池由于制作成本较高而限制了它们的推广。基于具有共轭结构的有机材料制作的太阳能电池的能量转化率不高,但是制作流程较为简单,常温常压下采用旋涂法即可成膜,做成的器件具有可挠性,轻便易于携带。随着转换效率的不断提高,有机薄膜电池正在成为国际国内研究者普遍看好的研究对象。有机太阳能电池器件研究以Poly（3-hexylthiophene） （P3HT）混合[6,6]-phenyl C61 butyric acid methyl ester （PCBM）作为主动层的研究最具有代表性。本文主要从事以这两种材料为主动层的太阳能电池的制作与电池性能评价工作。研究工作从ITO玻璃刻蚀开始,通过旋涂方式制作空穴传输层PEDOT:PSS。然后将P3HT和PCBM以1:1的比例溶解于氯仿中,配制成浓度为1wt%的溶液,同样用旋涂法制作主动层。金属阴极则采用磁控溅射Al的方式制作。制作出有机太阳能电池器件之后,通过测试I-V特性曲线和量子效率曲线对电池的特性进行了表征。通过多组电池的测量,评价了电池转换效率的衰减性质。从I-V特性曲线可以看出电池器件已经具备了光电转换功能,但由于电池的短路电流较小,从而导致了整个器件的性能非常低。这样的器件制作工艺仍旧不够成熟,需要优化。从量子效率曲线可以看出,三块电池共同表现出较低的量子效率。这说明制作工艺仍旧存在较大的改进余地。需要对流程中的每一步进行研究,探索优化方案。对衰减特性的研究,我们得到了一些在空气中未进行封装的有机太阳能电池的性能衰减性质。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 背景与动机
• 1.2 太阳能电池的历史和发展
• 1.3 太阳能电池的分类
• 1.3.1 结构分类
• 1.3.2 材料分类
• 1.3.3 工作原理分类
• 1.4 本文的研究方法和目的
• 第二章 基本理论及工作原理
• 2.1 半导体基础知识
• 2.1.1 导体、绝缘体和半导体
• 2.1.2 能级和能带
• 2.1.4 禁带、价带和导带
• 2.1.5 电子和空穴
• 2.1.6 掺杂半导体
• 2.1.7 载流子的产生和复合
• 2.1.8 载流子的输运
• 2.1.9 半导体的光吸收
• 2.1.10 半导体中的复合过程
• 2.2 有机半导体材料的特征
• 2.2.1 有机半导体材料的结构
• 2.3 光化学与光物理过程
• 2.3.1 分子激发态的形成和耗散机制
• 2.3.2 激发态的能量转移
• 2.4 太阳能电池的工作原理
• 2.4.1 p-n 结的形成
• 2.4.2 光伏效应
• 2.4.3 光电转换的过程
• 2.5 有机高分子太阳能电池工作原理
• 2.6 太阳能电池特性分析
• 2.6.1 等效电路
• 2.7 太阳能电池的光谱响应特性
• 2.8 太阳能电池的基本参数
• 2.8.1 短路电流
• 2.8.2 开路电压
• 2.8.3 填充因子
• 2.8.4 外量子效率
• 第三章 器件制作流程
• 3.1 实验流程设计
• 3.2 材料和仪器
• 3.3 ITO 玻璃的图样刻蚀
• 3.3.1 ITO 玻璃的清洗
• 3.3.2 旋涂光刻胶
• 3.3.3 预烘
• 3.3.4 曝光
• 3.3.5 显影
• 3.3.6 坚膜
• 3.3.7 刻蚀
• 3.3.8 去胶
• 3.3.9 烘干
• 3.4 ITO 玻璃的清洗
• 3.5 PEDOT:PSS 成膜
• 3.6 主动层成膜
• 3.7 阴极的溅射
• 3.8 测量
• 第四章 实验分析及数据测量
• 4.1 转速和膜厚关系的确定
• 4.1.1 PEDOT:PSS 层厚度和转速的关系的确定
• 4.1.2 主动层膜厚和转速关系的确定
• 4.1.3 金属阴极的膜厚和时间关系的确定
• 4.2 电池特性的测量和分析
• 4.2.1 I-V 特性曲线分析
• 4.2.2 量子效率曲线的测量和分析
• 4.2.3 衰减特性的测量和分析
• 第五章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文