聚合物太阳能电池阴极界面层及透明电极的研究

【摘要】：能源危机在全球不断蔓延,人们迫切需要一种绿色环保、可持续再生的能源,取代日益消耗的化石资源。太阳能以其取之不尽用之不竭、获取方便、无污染的优点而备受人们瞩目。太阳能电池是可以将光能转化为电能最有效的途径,近年来发展势头正劲。其中,聚合物太阳能电池具有制备工艺简单、成本低、易实现柔性器件等优点,正逐渐吸引着大批研究者的目光。单层体异质结的聚合物太阳能电池效率也已经超过了10%。但是,如何继续提升器件的性能使其能够实用化,也是大家一直思考的问题,解决的方法主要有研制窄带隙给体材料提高活性层对光的吸收、改善活性层的表面形貌及相分离促进光生载流子的产生和输运、调整电极功函数使之与活性层材料能级匹配、改善电极/活性层界面、改良器件结构等。本论文针对以上部分方面开展工作,取得的主要研究成果如下:(1)选用多种金属氟化物用作聚合物太阳能电池的阴极界面层,其中,我们首次报道了用CeF3和SrF2作为阴极界面层的聚合物太阳能电池器件,SrF2阴极界面层的器件更是获得了7.17%的能量转换效率,比常用LiF器件高出9%。经过一系列研究对比,我们发现,器件性能与氟化物中对应金属的功函数(WFMIF)相关,随着WFMIF降低,器件的开路电压和填充因子按照AlF3ZrF4MgF2LiFCeF3BaF2SrF2的规律增加。经过紫外光电子能谱和X射线光电子能谱测试对金属氟化物/金属阴极进行电极有效功函数和成分的分析,证实了在金属氟化物/Al界面有置换反应发生和强偶极的存在,它们分别可以起到降低电极有效功函数和促进电荷收集的作用,因此可以将金属氟化物/金属阴极界面的作用机理归因于反应模式和偶极模式的双重作用。该工作也为今后研究金属氟化物在PSC器件中的作用机制、预估金属氟化物做阴极界面层的潜力和恰当地选择材料提供了一定的参考依据。(2)选用易溶于水的RbF材料作为倒置结构聚合物太阳能电池的阴极界面层,当RbF水溶液为3.0wt.‰时,聚合物太阳能电池器件获得了6.82%的能量转换效率,开路电压0.75V,短路电流15.19mA·cm-2,填充因子59.84%,串联电阻只有5.91Ω?cm2。其能量转换效率是无阴极界面层器件的5倍,性能也比常用ZnO做阴极界面层的器件更优良。器件在某种程度上避免了PEDOT:PSS对电极及活性层材料的腐蚀,并且制备方法简单、环保无毒、成本低,也为开展全溶液太阳能电池器件的研制工作奠定了良好的基础。(3)用电子束热蒸发技术制备了基于多元氧化物(MoO3、WO3掺杂)的MWO/Ag/MWO薄膜。实现了在可见光区平均透过率达到75%,最高透过率为81%,方块电阻为6.8Ω·sq-1的,功函数为5.33eV的叠层透明导电薄膜,粗糙度只有0.506nm。以其为阳极制备的基于P3HT:PCBM活性层的聚合物太阳能电池器件不需要阳极界面层便得到了开路电压0.57V,短路电流8.43mA·cm-2,填充因子61.17%,最终获得2.94%的能量转化效率,是ITO为阳极的器件效率的2.18倍,比ITO/PEDOT:PSS器件的效率高出15%。 【关键词】：聚合物太阳能电池 阴极界面层 透明电极 功函数 能量转换效率
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第一章 绪论14-36
• 1.1 研究背景及意义14-16
• 1.2 太阳能电池概况16-20
• 1.2.1 太阳光谱16-17
• 1.2.2 太阳能电池发展概况17-20
• 1.3 聚合物太阳能电池的基本原理20-23
• 1.3.1 聚合物太阳能电池的结构20-21
• 1.3.2 聚合物太阳能电池的光电流产生过程21-23
• 1.4 聚合物太阳能电池的I-V特性及性能参数23-28
• 1.4.1 聚合物太阳能电池的I-V特性23-25
• 1.4.2 聚合物太阳能电池的性能参数25-28
• 1.5 界面层材料28-30
• 1.5.1 阳极界面层28-29
• 1.5.2 阴极界面层29-30
• 1.6 透明电极30-34
• 1.6.1 研究背景30-33
• 1.6.2 金属基叠层透明导电薄膜33-34
• 1.7 本论文的主要工作34-36
• 第二章 验设备及测试分析仪器36-46
• 2.1 实验设备36-38
• 2.1.1 真空热蒸发镀膜设备36-37
• 2.1.2 电子束热蒸发镀膜37-38
• 2.2 测试分析仪器38-44
• 2.2.1 表面轮廓仪38-39
• 2.2.2 分光光度计39-40
• 2.2.3 四探针测试仪40
• 2.2.4 霍尔效应测试仪40-41
• 2.2.5 开尔文探针41
• 2.2.6 太阳能电池测试系统41-42
• 2.2.7 EQE测试系统42
• 2.2.8 原子力显微镜42-43
• 2.2.9 紫外光电子能谱和X射线光电子能谱43-44
• 2.3 本章小结44-46
• 第三章 超薄金属氟化物阴极界面层在聚合物太阳能电池中的作用46-76
• 3.1 前言46-48
• 3.2 实验部分48-51
• 3.2.1 实验材料48-49
• 3.2.2 PSC器件制备49-50
• 3.2.3 器件测试50-51
• 3.3 PSC器件的优化51-61
• 3.3.1 AlF_3为CIL的PSC器件的优化51-52
• 3.3.2 ZrF_4为CIL的PSC器件的优化52-54
• 3.3.3 MgF_2为CIL的PSC器件的优化54-55
• 3.3.4 LiF为CIL的PSC器件的优化55-57
• 3.3.5 CeF_3为CIL的PSC器件的优化57-58
• 3.3.6 BaF_2为CIL的PSC器件的优化58-59
• 3.3.7 SrF_2为CIL的PSC器件的优化59-61
• 3.4 结果讨论与分析61-74
• 3.5 本章小结74-76
• 第四章 基于水溶液法制备RbF阴极界面层的高效倒置结构聚合物太阳能电池76-90
• 4.1 前言76-77
• 4.2 实验部分77-80
• 4.2.1 实验材料77
• 4.2.2 倒置PSC器件制备77-79
• 4.2.3 器件测试79-80
• 4.3 实验结果及讨论分析80-88
• 4.3.1 热蒸发RbF做CIL的倒置PSC器件80-82
• 4.3.2 水溶液法RbF做CIL的倒置PSC器件82-84
• 4.3.3 不同CIL的倒置PSC器件及分析84-88
• 4.4 本章小结88-90
• 第五章 MWO/Ag/MWO透明导电薄膜的制备及其在聚合物太阳能电池中的应用90-100
• 5.1 前言90-91
• 5.2 实验部分91-94
• 5.2.1 实验材料91
• 5.2.2 透明电极的制备91-92
• 5.2.3 PSC器件的制备92-93
• 5.2.4 测试手段93-94
• 5.3 实验结果与讨论分析94-99
• 5.3.1 MWO/Ag/MWO薄膜光电学参数94
• 5.3.2 MWO/Ag/MWO电极在PSC器件中的应用94-99
• 5.4 本章小结99-100
• 第六章 全文总结100-102
• 参考文献102-118
• 在学期间学术成果情况118-120
• 指导教师及作者简介120-122
• 致谢122-123

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