有机光伏电池的界面电子结构研究

论文摘要

随着现代工业的发展,能源价格攀升和石化能源大气污染严重。利用光伏原理制作的光伏电池作为理想的清洁能源受到越来越多重视。在光伏电池中,有机光伏电池具有材料质量轻、制造成本低、便于大面积制作、机械性能上具有柔性等优点。对有机光伏电池的研究有利于光伏发电成本的进一步下降,光伏发电的进一步普及,但是有机光伏电池仍存在一些缺点,如有机光伏器件的物理机制、原理尚未成熟,器件效率较低、寿命短、不稳定等。因此,有机光伏电池目前还处在实验室研究阶段。本论文主要研究了基于酞菁铜/富勒烯(CuPc/C60和CuPc/C70)体系的有机小分子光伏电池。具体研究了有机光伏电池中发生的物理过程以及加热退火处理对电池的影响,主要分为以下几个方面:（1）给体-受体界面电子结构对有机光伏电池的影响开路电压（Voc）是光伏电池的一个关键参数,它主要由给体的HOMO和受体的LUMO的能级差值确定。通过采用异质结和选择合适的受体材料形成理想的界面能级结构会得到高的Voc和光伏电池性能。通过对CuPc/C70双层膜结构和C70:CuPc混合异质结薄膜的界面电子结构分析,我们发现Voc从0.55eV提高到0.8eV。（2）退火处理对给体-受体界面的影响对有机光伏电池进行退火处理可以促进材料分子的重新排列,改善界面接触形貌,在给体-受体之间形成了相互贯穿的网络结构,实现激子的分离和电荷传输速率平衡,使光伏电池性能得到明显提高。我们利用光电子能谱技术研究了加热退火处理对有机光伏界面电子结构的影响,证实了在小分子体系中存在垂直相分离现象。通过适当的退火处理可以有效改变界面电子结构和产生相分离,使光伏性能显著提高。（3）受体-激子阻挡层界面电子结构对有机光伏电池的影响我们通过在有机受体材料层和金属电极之间插入不同材料作为激子阻挡层,实现了器件性能的提高。通过对受体-激子阻挡层界面能级排列的分析,我们阐明了激子阻挡层对光伏电池的影响,很好的解释了实验现象。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 引言
• 1.1 光伏电池的发展历程
• 1.2 光伏电池的分类
• 1.3 有机光伏电池的原理
• 1.4 有机光伏电池的性能表征
• 1.4.1 光伏电池等效电路
• 1.4.2 光伏电池伏安特性
• 1.4.3 转换效率
• 1.4.4 外量子效率（EQE）
• 1.4.5 内量子效率
• 1.5 本论文的主要工作及结构
• 1.6 参考文献
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验设备
• 2.2 常用有机材料
• 2.3 有机光伏器件制备
• 2.3.1 ITO 玻璃基片清洗
• 2.3.2 ITO 玻璃基片预处理
• 2.3.3 蒸发镀膜工艺
• 2.4 有机光伏电池的结构优化
• 2.5 有机光伏电池性能表征
• 2.6 本章小结
• 2.7 参考文献
• 第三章 给体-受体界面电子结构对有机光伏电池的作用
• 3.1 研究背景
• 60 界面电子结构研究'>3.2 CuPc-C₆₀界面电子结构研究
• 60/CuPc 界面电子结构'>3.2.1 C₆₀/CuPc 界面电子结构
• 3.2.2 能级排列
• 70 界面电子结构研究'>3.3 CuPc-C₇₀界面电子结构研究
• 70/CuPc 界面电子结构'>3.3.1 C₇₀/CuPc 界面电子结构
• 70:CuPc 混合体异质结界面电子结构'>3.3.2 C₇₀:CuPc 混合体异质结界面电子结构
• 70/CuPc 和CuPc:C₇₀ 能级排列'>3.3.3 C₇₀/CuPc 和CuPc:C₇₀能级排列
• 3.4 本章小结
• 3.5 参考文献
• 第四章 退火处理对有机光伏电池的作用
• 4.1 研究背景
• 4.2 加热退火处理对光伏电池形貌的影响
• 4.3 加热退火处理对界面电子结构的影响
• 60 界面加热退火处理'>4.3.1 CuPc-C₆₀界面加热退火处理
• 70 界面加热退火处理'>4.3.2 CuPc-C₇₀界面加热退火处理
• 4.4 本章小结
• 4.5 参考文献
• 第五章 受体-激子阻挡层界面在有机光伏电池的作用
• 5.1 研究背景
• 5.2 不同激子阻挡层对光伏电池的影响
• 5.3 受体-激子阻挡层界面电子结构
• 3/C₆₀/CuPc/ITO 界面电子结构'>5.3.1 A1q₃/C₆₀/CuPc/ITO 界面电子结构
• 60/CuPc/ITO 界面电子结构'>5.3.2 BCP/C₆₀/CuPc/ITO 界面电子结构
• 60/CuPc/ITO 界面电子结构'>5.3.3 Bphen/C₆₀/CuPc/ITO 界面电子结构
• 5.4 本章小结
• 5.5 参考文献
• 第六章 总结和展望
• 硕士期间发表和待发表的学术论文
• 致谢