聚合物体异质结太阳能电池的器件优化及光伏性能研究

论文摘要

随着全球经济发展、人口数量激增,今后全世界能源消费总量将不断提高,而煤、天然气、石油等传统能源消费总量终有一天将会到达极限。能源危机的日益突显,使人类意识到寻找可再生能源的重要性。太阳能作为绿色、环境友好型能源的代表,成为各国学术界和工业界的研究热点。尽管无机硅太阳能电池具有高的光电转换效率,但由于其制造条件苛刻,生产成本高,不易加工及非柔性等缺点限制了其大规模民用化进程。而以聚合物材料为活性层的聚合物体异质结太阳能电池具有材料来源广、成本低、柔性、可大面积器件及制备工艺简单等特点而被人们广泛关注。聚合物体异质结太阳能电池器件性能与活性层给体材料的能级结构、带隙、对光的吸收、成膜性、分子量、载流子迁移率密切相关,此外还与如活性层复合薄膜表面形貌、活性层与电极的界面接触等器件优化过程密不可分。本论文主要围绕研究上述影响因素与聚合物体异质结太阳能电池器件性能的关系并以此展开工作。通过选择窄带隙宽吸收的共轭聚合物作为给体材料增加其对入射光的俘获,考察其分子结构与器件性能之间的关系；通过对器件活性层和电极界面进行修饰和采用不同溶剂、不同给受体掺杂比例、不同活性层厚度成膜等方法对器件进行优化并研究其与器件性能之间的关系；使用具有表面等离子体增强吸收效应的银圆盘纳米晶对阳极进行修饰,并以提高器件对光的捕获；论文的详细内容如下：1.在论文的引言部分详细对聚合物体异质结太阳能电池进行综述：包括研究发展历程、工作原理、器件结构、器件性能表征参数与测试仪器、器件性能影响因素等方面的大量研究工作。2.以噻吩单元代替苯单元作为桥联基团,将给电子基团芴与吸电子基团苯并噻二唑通过Heck偶联反应进行共聚,合成了一种新型的窄带隙聚芴共轭聚合物PF-TBT[poly（fluorenevinylenealt-4,7-dithienyl-2,1,3-benzothiadiazole）]。噻吩单元以其优良的光学性质、高的载流子迁移率、强的给电子能力和高的化学稳定性而被广泛的应用在聚合物体异质结太阳能电池中。PF-TBT具有宽的吸收光谱,其吸收带边接近700nm,光学带隙为1.82eV。我们以聚合物PF-TBT作为给体材料,富勒烯衍生物PC61BM[（6,6）-phenyl-C61-butyric acid methyl ester]为受体材料,制备了器件结构为ITO/poly（3,4-ethylenedioxythiophene）:poly（styenesulfonate） （PEDOT:PSS）/PF-TBT:PC6,BM/LiF/Al的聚合物体异质结太阳能电池,系统地研究了PF-TBT的光物理性质,热学性质和电化学性质,利用空间电荷限制电流方法（SCLC）计算了聚合物的空穴载流子迁移率,利用原子力显微镜（AFM）和透射电子显微镜（TEM）分析了PF-TBT与PC61BM共混膜的表面形貌。在光强100mW/cm2AM1.5G模拟太阳光照射下,Jsc=3.97mAcm-2, FF=0.35, Voc=0.86 V,能量转换效率达1.18%。3.以聚苯撑乙烯类共轭聚合物PP-DBT [poly（phenylenevinylene-alt-4,7-diphenyl-2,1,3-benzothiadiazole）]为给体材料,富勒烯衍生物PC71BM [（6,6）-phenyl-C71-butyric acid methyl ester]为受体材料,制备了器件结构为ITO/PEDOT:PSS/PP-DBT:PC71BM/ZnO/Al的聚合物体异质结太阳能电池。对器件进行了一系列优化：对活性层的厚度、给体材料与受体材料掺杂比例进行调节；选择氯苯、氯仿、邻二氯苯为溶剂,考察其对活性层复合薄膜表面形貌的影响；采用ZnO纳米晶对活性层薄膜与电极界面进行修饰。利用空间电荷限制电流方法（SCLC）计算了聚合物PP-DBT的空穴载流子迁移率,利用透射电子显微镜（TEM）和原子力显微镜（AFM）分析了PP-DBT:PC71BM共混膜的表面形貌。在光强100mW/cm2AM1.5G模拟太阳光照射下,器件的Jsc=7.46mAcm-2, FF=0.50,Voc=0.90 V,能量转换效率达3.36%。4.利用静电自组装方法将具有局域表面等离子体共振效应的银纳米圆盘组装在ITO基底,并以聚噻吩衍生物P3HT[poly（3-hexylthiophene）]为给体材料,以富勒烯衍生物PC61BM为受体材料,制备了器件结构为[ITO/silver nanodisks/ PEDOT:PSS/P3HT:PC61BM/LiF/Al的太阳能电池,在光强100mW/cm2 AMI.5G模拟太阳光照射下,Jsc=9.24±0.09mAcm-2,FF=0.60±0.01, Voc=0.61±0.01V,能量转换效率达3.46±0.07%。通过银纳米圆盘的等离子体共振效应有效提高聚合物活性层中P3HT对入射光的俘获,与无银纳米圆盘修饰的器件相比,能量转换效率由原来的2.72±0.08%提升至3.46±0.07%。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 聚合物体异质结太阳能电池的研究发展历程
• 1.3 聚合物体异质结太阳能电池简介
• 1.3.1 聚合物体异质结太阳能电池的工作原理
• 1.3.2 聚合物体异质结太阳能电池的器件结构
• 1.3.3 聚合物体异质结太阳能电池的性能表征
• 1.4 聚合物体异质结太阳能电池的活性层材料
• 1.4.1 聚合物给体材料
• 1.4.2 受体材料
• 1.5 聚合物体异质结太阳能电池的器件优化
• 1.5.1 器件的界面修饰
• 1.5.2 给受体组分比
• 1.5.3 溶剂选择
• 1.5.4 退火处理
• 1.5.5 添加剂
• 1.6 本论文设计思想
• 参考文献
• 第二章 4,7-二噻吩基苯并噻二唑为构筑单元共轭聚合物的光伏性能
• 2.1 引言
• 2.2 材料合成
• 2.2.1 试剂与仪器
• 2.2.2 材料的合成
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 共聚物的合成及热重分析
• 2.3.2 紫外吸收光谱
• 2.3.3 能级结构电化学性质
• 2.3.4 PF-TBT和PF-DBT为给体材料太阳能电池的光伏性能
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 4,7-二苯基苯并噻二唑为构筑单元共轭聚合物的光伏性能
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 材料与试剂
• 3.2.2 器件制备及表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 PP-DBT的热学性质
• 3.3.2 PP-DBT的吸收性质
• 3.3.3 PP-DBT的电化学性质
• 3.3.4 PP-DBT的空穴迁移率
• 71BM器件性能的影响'>3.3.5 组分比对PP-DBT:PC₇₁BM器件性能的影响
• 71BM器件性能的影响'>3.3.6 溶剂对PP-DBT:PC₇₁BM器件性能的影响
• 71BM器件性能的影响'>3.3.7 界面修饰对PP-DBT:PC₇₁BM器件性能的影响
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 银纳米盘为界面修饰层的聚合物体异质结太阳能电池
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 样品及试剂
• 4.2.2 实验及测试仪器
• 4.2.3 银盘纳米晶的制备及器件制备
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 表面等离子体银盘的光物理性质
• 4.3.2 静电组装银盘薄膜的表面形貌
• 4.3.3 基于银纳米盘聚合物太阳能电池的光伏性能
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 结论
• 作者简历
• 攻读学位期间的论文发表情况
• 致谢