聚合物/无机材料复合结构光伏特性的研究

论文摘要

本论文研究了聚合物／无机材料复合体系的光伏特性。从材料和结构上分类，我们制备并研究了两类复合器件：聚合物—无机半导体分层复合结构与聚合物无机材料掺杂结构。在掺杂结构中，着重研究了聚合物—富勒烯掺杂结构和聚合物—无机纳米半导体掺杂结构。1采用聚乙烯咔唑PVK和无机半导体ZnS制备聚合物—无机半导体分层复合紫外光探测器件ITO／PEDOT：PSS／PVK／ZnS／Al。该器件显示出较高的开路电压1.65V，在光强为14mW／cm2的340nm单色光激发下，器件的短路电流为46.8μA／cm2。器件效率随无机半导体ZnS层的厚度变化会产生较明显的不同，当ZnS层厚度为50nm时，器件的效率达到最佳。2制备MEH-PPV：C60掺杂薄膜光伏器件，并研究了该掺杂体系的光伏特性。◇C60掺杂浓度的影响。实验表明，开路电压随C60浓度增大而降低，C60的电子亲合势对器件最终的开路电压影响较大。◇LiF修饰电极的作用。位于掺杂薄膜和Al电极之间的LiF层形成一个偶极层，可以增大器件的开路电压，但在一定程度上阻碍了电荷的传输。◇掺杂薄膜的电场极化。高电场的极化使聚合物分子链发生一定的取向，使器件的光伏特性有所改善。◇掺杂薄膜的热退火。120℃的热退火条件下，短路电流和功率转换效率提高2倍；200℃的热退火条件下，短路电流和功率转换效率提高7倍以上。120℃时的改善来自MEH-PPV与C60之间相分离的改善，200℃时的改善来自薄膜的热动分子重新分布。◇掺杂薄膜中激发态的研究。- C60的浓度变化影响了薄膜内载流子的运动。低掺杂浓度下，C60增加了掺杂薄膜的自吸收率，C60分子上的电荷俘获使器件效率下降。较高的掺杂浓度下，掺杂薄膜中形成较大的聚集相，为载流子的传输形成路径，从而抑止了C60分子上的自吸收效应和电荷湮灭，使器件效率上升。-掺杂薄膜中光生激子的场致离化研究发现，在掺杂薄膜中，激子离化所需的电场远小于未掺杂的聚合物薄膜，因为在MEH-PPV与C60界面的光致电荷转移辅助场致激子离化。3采用MEH-PPV和CuS纳米颗粒混合制备聚合物—纳米材料复合薄膜光伏器件。在最佳MEH-PPV与CuS纳米颗粒的掺杂比例1：2.5（重量比）下，光强为16.7mW／cm2的波长为500nm的单色光激发下，器件的开路电压为0.83V，短路电流为17μA／cm2，反向1V电压下，光增益为132。4此外，本论文的一个创新点在于提出了平面型聚合物薄膜光伏器件的结构，以此来研究聚合物光伏器件的一些基本物理问题。本论文着重研究了有机光伏器件的开路电压。研究证实，聚合物光伏器件的开路电压来自于器件两侧电极的功函数差，这个功函数差在聚合物薄膜内部产生电场，形成器件的开路电压。但是，当光激发是不均匀的时候，Dember效应会产生很小的光电压，对器件的开路电压产生影响。该结构一方面克服了夹层结构固有的非对称性，更有利于机理的分析研究；另一方面，借助此结构两电极间直观的较大的距离，可以对器件进行部分照射，使器件更加细致化，对澄清一些遗留的物理问题或提出一些新问题很有价值。本论文中，图57幅，表7个，参考文献263篇。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 序
• 1 引言
• 1.1 有机光伏器件的发展简史
• 1.2 有机光伏的光物理特性
• 1.2.1 有机光伏器件的操作原理
• 1.2.2 有机光伏器件的光伏特性
• 1.3 有机光伏材料
• 1.3.1 有机光伏材料的能带结构
• 1.3.2 有机光伏材料的传输和迁移率
• 1.3.3 有机光伏材料的选择标准
• 1.4 有机光伏器件的种类
• 1.5 有机光伏待解决的几个问题
• 2 聚合物/无机半导体ZnS分层复合结构光伏特性的研究
• 2.1 聚合物/无机半导体ZnS分层复合器件的制备与测量
• 2.2 聚合物/无机半导体ZnS分层复合器件光伏特性与载流子传输
• 2.3 本章小结
• 3 富勒烯掺杂聚合物光伏特性的研究
• 3.1 富勒烯掺杂聚合物的电流-电压特性的浓度依赖关系
• 3.2 LiF层对富勒烯掺杂聚合物光伏特性的影响
• 3.3 电场极化对富勒烯掺杂聚合物光伏特性的影响
• 3.4 热退火对富勒烯掺杂聚合物光伏特性的影响
• 3.5 富勒烯掺杂聚合物体系中激发态的研究
• 3.6 本章小结
• 4 CuS纳米颗粒掺杂聚合物的光伏特性与载流子传输
• 4.1 水醇溶液法制备纳米颗粒CuS
• 4.2 纳米CuS掺杂聚合物薄膜器件的光伏特性和载流子的传输
• 4.3 本章小结
• 5 利用平面型结构研究聚合物光伏器件的开路电压
• 5.1 平面型聚合物光伏器件的制备与测量
• 5.2 利用平面结构研究聚合物光伏器件的开路电压
• 5.3 本章小结
• 6 结论
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集