器件结构和后期处理对小分子太阳电池性能的影响研究

论文摘要

太阳能电池发电作为新能源领域的重要组成部分,近一个时期以来备受瞩目。晶体硅电池的产业化已经十分成熟,而下一代的战略储备技术是各大厂商及各国争夺的焦点,其中有机太阳电池以其独特的潜在价值逐渐成为研究的热点。鉴于小分子材料在分子结构上的简单性,因此小分子有机太阳电池在研究分析中更具优势。论文首先简要介绍了有机激子型半导体材料的基本特征,比较了它与无机半导体材料的不同之处,从基本物理性质方面给出了两者的主要区别。然后,文章对于有机太阳电池的基本结构与性质、工作原理、最新研究进展与发展趋势等方面做了适当的介绍。本论文以小分子酞菁锌材料为基础,以酞菁锌/碳60双层异质结为基本结构,完整地介绍了电池器件的制备过程,包括阳极ITO电极的制作、基底的前期处理、蒸发镀膜工艺等。另外,论文还用专门的篇幅分别介绍了器件的测试过程和后期的退火处理工艺。本研究的主要目标是提高小分子电池的电荷输出水平及其功率转换效率,主要工作分为两大部分:器件结构的优化和后期处理。其中,器件结构除了传统的叠层膜厚优化和电极缓冲层优化之外,尤以器件平面结构作为研究的新视角,通过实验摸索获得了全新的结论。在器件的叠层结构优化研究中,面对新的实验环境和条件,论文通过强化约束条件和指标函数,结合实际情况对理论模型做出了改进。针对C60厚度的理论预测与实验事实不符的情况,通过实验数据的比较,提出C60的电导率因氧化而下降的合理猜想,然后给出了实验证明和修正方案,最后成功解决了C60膜厚的优化问题。经过第三章的理论和实验工作,确定了电池的最佳叠层结构为: ITO（200nm）/ （25 nm）/C60（16 nm）/Al（100nm）。在器件的平面结构研究中,文章从模型分析入手,推导了有机异质结的电流表达式,并利用测试条件验证了理论的准确性;接着,文章通过合理的假设和简化,从孤立带电导体表面电荷分布的角度,对电池的短路电流和开路电压做出了较为合理的理论解释;最后总结指出,N型（扁窄型）器件的开路电压最具优势,而L型（狭长型）器件则更有利于电池的电荷输出,并且将电池的短路电流提高了15%。这一部分的工作和结论确定了后续研究的器件基础,即在最优化叠层结构的条件下宜采用L型平面结构。后期处理则是在电池制备完成之后对器件的一系列处理工艺。为进一步提高器件的电流响应水平,文章主要探讨了退火温度和退火时间对电池性能的影响,得到最佳工艺条件为100℃,20min。分析认为,退火改善了器件各层的界面形貌,减小了界面态;使电极层与功能层接触更为紧密,特别改善了ZnPc与ITO之间的接触,降低了电池的串联电阻。实验表明,最佳退火工艺将电池的短路电流和开路电压分别提高了46%和103mV,并大大减缓了器件的衰减过程,将电池的寿命提高了4倍。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 英文缩略词注释表
• 第一章 绪论
• 1.1 太阳电池
• 1.2 有机太阳电池
• 1.2.1 有机太阳电池的工作原理
• 1.2.2 有机太阳电池的电性能参数介绍
• 1.2.3 有机太阳电池的研发历程与近况
• 1.3 激子型半导体材料简介
• 1.4 论文工作概要与架构
• 1.4.1 主要工作概述
• 1.4.2 论文架构
• 第二章 实验器材与工艺
• 2.1 实验材料介绍
• 2.2 实验设备
• 2.3 小分子太阳电池的制备工艺流程
• 2.3.1 阳极ITO 导电膜的设计与制作
• 2.3.2 阳极制备的光刻工艺
• 2.3.3 阳极ITO 的预处理
• 2.3.4 真空蒸镀薄膜
• 2.3.5 薄膜质量检测和器件测试
• 2.4 小结
• 第三章 器件的叠层结构对电池性能的影响
• 3.1 背景介绍
• 3.2 光场在电池内部的纵向分布
• 3.3 实验验证
• 60 膜厚的修正'>3.4 C₆₀膜厚的修正
• 3.5 本章小结
• 第四章 器件的平面结构对电池性能的影响
• 4.1 研究背景
• 4.2 实验现象
• 4.3 有机异质结的电流方程
• 4.4 理论解释及实验验证
• 4.4.1 电流表达式的拟合验证
• 4.4.2 短路电流的解释
• 4.4.3 开路电压的解释
• 4.4.4 填充因子的分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 后期退火处理对器件性能的影响
• 5.1 研究背景
• 5.2 实验结果
• 5.2.1 实验工艺介绍
• 5.2.2 退火温度的影响
• 5.2.3 退火时间的影响
• 5.2.4 退火工艺对器件稳定性的影响
• 5.3 分析与讨论
• 5.3.1 退火对界面形貌的影响
• 5.3.2 退火对接触电阻的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 创新点
• 6.2 总结
• 6.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 图表索引
• 攻读硕士学位期间论文发表情况