静电纺丝导电纳米纤维及聚合物太阳能电池溶液加工研究

【摘要】：聚合物太阳能电池经过近二十年的研究，已经在活性层材料设计、活性层形貌控制、界面修饰、透明电极等领域取得了很大进展。目前光电转换效率（PCE）最高的聚合物太阳能电池已经达到商业化应用要求。除了获得更高的效率、探寻统一的器件物理解释之外，人们开始更多的关注器件性能的稳定性。聚合物太阳能电池的溶液加工与大面积低成本制备工艺兼容，成为了新的焦点问题。为此对缓冲层材料和金属电极材料的化学稳定性和溶液加工性提出了新的要求。本论文主要围绕聚合物太阳能电池组成材料的溶液加工方法进行研究，包括活性层材料、界面层材料和金属电极材料。此外还涉及一些器件物理以及阴极缓冲层材料的探索工作。论文的内容包括： 1.实现了纯聚[2-甲氧基-5(2’-乙基)己氧基-1,4-苯撑乙烯](MEH-PPV)静电纺丝的连续制备。以氯仿/异丙醇混合溶剂进行电纺的优势在于，避免了非挥发性杂质对光电器件性能产生的负面影响。上述二元溶剂中劣溶剂异丙醇的加入增加了MEH-PPV电纺溶液的可纺性。劣溶剂的主要作用是增加分子链间相互作用、提高溶液电导率、降低溶液表面张力。对MEH-PPV溶液和薄膜紫外荧光性能的研究发现，溶剂能够显著改变MEH-PPV链间的相互作用使紫外吸收峰发生移动。纯MEH-PPV取向纤维在偏振荧光发光峰处的偏振比为5.9，各向异性值为0.47。上述数值明显高于各向同性材料，说明高分子链优先沿着电纺丝的长度方向排列。在MEH-PPV中混入聚己内酯(PCL)之后，所得混合纤维的偏振比和各向异性值分别增加到11和0.66。这是因为PCL的引入减少了MEH-PPV之间的能量传递。纯MEH-PPV电纺丝的直径在300nm至1100nm之间，将其电纺膜用作聚合物太阳能电池活性层效果不佳。原因有电纺膜厚度较厚，存在着孔隙以及相分离控制困难的问题。静电纺丝制备的共轭聚合物一维结构更适于单丝器件的制备。 2.以聚合物电纺丝作为模板，通过蒸镀金属并去除聚合物得到了可用于透明电极的金属网络。使用的聚合物有，聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚己内酯(PCL)和聚丙烯酸(PAA)。制得性能最优的Ag网络具有和ITO相当的电导性以及在300nm～1100nm范围内70%的透过率，基本满足透明电极的要求。将Ag网络用于制备P3HT：PC61BM聚合物太阳能电池，所得器件效率最高为2.0%。高于PH1000作电极的器件，低于ITO电极的器件。主要原因是Ag网络表面粗糙度较大，PH1000的厚度需要优化以降低电极的表面粗糙度，减少漏电的发生以进一步提高填充因子等性能参数。 3.将一种可溶液加工的铁电聚合物——聚偏氟乙烯六氟丙烯(P(VDF-HFP))用作聚合物太阳能电池的电极缓冲层。P(VDF-HFP)具有良好的成膜性、稳定的化学性质、广泛的商业来源并能提供可控的界面偶极。紫外光电子能谱和功函数测试表明，溶剂处理和P(VDF-HFP)都能在退火的P3HT:PC61BM表面引入附加偶极，使活性层/金属界面更有利于阴极接触。使用P(VDF-HFP)进行阴极界面修饰的效果略高于含有LiF的器件。考虑到P(VDF-HFP)能够对外界电场做出响应并改变偶极方向，我们将其用于反向器件的阳极缓冲层。所得反向器件在一开始具有很低的效率，但是随着Ag电极的氧化和P(VDF-HFP)的正极化过程，器件效率逐渐升高，最终和蒸镀MoO3的标准器件PCE相当。在稳定性上，含有P(VDF-HFP)的器件高于其他类型的器件。器件放置120天后，含有P(VDF-HFP)并经历正极化的器件PCE为2.4%，高于含有MoO3的标准器件。我们使用整体电荷转移(ICT)模型解释了偶极与表面真空能级移动、电极接触之间的关系。对P(VDF-HFP)作用的机理进行了理论解释，由此说明P(VDF-HFP)通过简单的电场极化调控能够成为通用的缓冲层材料。 4.对聚合物太阳能电池的阴极界面修饰进行了一些探索。对于反向电池的阴极修饰层ZnO，通过plasma处理能够提高器件的开路电压和填充因子，使电池PCE提高。其作用机理可能与plasma的清洁作用或新生成的含氧基团有关。将聚偏氟乙烯(PVDF)或P(VDF-HFP)旋涂在ZnO的表面能够提高器件的开路电压和稳定性。正极化过程则能使器件的开路电压进一步提高。我们还探索了一些材料用作正向电池阴极修饰层的可能性，包括富含羟基的D-甘露糖醇、富含氨基的三聚氰胺、含有羟基和羧基的D-丝氨酸、NaCl、KBr、PVDF和P(VDF-HFP)。其中甘露糖醇有阴极缓冲层的作用，但效果低于LiF。而NaCl、KBr、PVDF和P(VDF-HFP)则具有和LiF等同的效果。在阴极一侧引入Ag等离子体能使器件性能相对提高10%。 【关键词】：聚合物太阳能电池 溶液加工性 静电纺丝 透明电极 界面修饰
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第1章 绪论11-44
• 1.1 引言11-12
• 1.2 聚合物太阳能电池12-27
• 1.2.1 聚合物太阳能电池器件参数12-14
• 1.2.2 聚合物太阳能电池的工作原理和结构14-16
• 1.2.3 聚合物太阳能电池活性层材料16-19
• 1.2.4 聚合物太阳能电池活性层形貌调控19-20
• 1.2.5 聚合物太阳能电池电极界面调控20-26
• 1.2.6 溶液法制备太阳能电池的重要性26-27
• 1.2.7 聚合物太阳能电池中的透明电极27
• 1.3 基于纳米丝的太阳能电池和一维 P-N 结27-29
• 1.4 静电纺丝及其在聚合物太阳能电池中的应用29-42
• 1.4.1 静电纺丝：制备一维微纳米结构的通用方法31
• 1.4.2 静电纺丝装置31-33
• 1.4.3 静电纺丝过程机理33-36
• 1.4.4 静电纺丝影响因素36-40
• 1.4.5 静电纺丝制备共轭聚合物纳米丝40-41
• 1.4.6 静电纺丝在光电器件的应用41-42
• 1.5 研究内容和创新性42-44
• 第2章 活性层材料的静电纺丝制备及性能研究44-69
• 2.1 引言44-45
• 2.2 实验原料及表征手段45-50
• 2.2.1 实验药品45-46
• 2.2.2 实验仪器及表征手段46-47
• 2.2.3 MEH-PPV 的合成47-48
• 2.2.4 电纺溶液和表征样品制备48-49
• 2.2.5 MEH-PPV 的静电纺丝49-50
• 2.2.6 以 MEH-PPV 电纺丝为活性层聚合物太阳能电池的制备50
• 2.3 结果与讨论50-68
• 2.3.1 MEH-PPV 的结构表征50-52
• 2.3.2 MEH-PPV 溶液和旋涂膜的紫外荧光性能52-55
• 2.3.3 影响 MEH-PPV 静电纺丝的因素55-63
• 2.3.4 MEH-PPV 静电纺丝膜的荧光性能63-67
• 2.3.5 MEH-PPV 静电纺丝膜用作太阳能电池的活性层67-68
• 2.4 本章小结68-69
• 第3章 静电纺丝制备聚合物太阳能电池透明电极69-78
• 3.1 引言69-70
• 3.2 实验部分70-72
• 3.2.1 实验药品70
• 3.2.2 实验仪器及表征手段70-71
• 3.2.3 静电纺丝制备透明电极71
• 3.2.4 器件制备71-72
• 3.3 结果与讨论72-77
• 3.3.1 静电纺丝形貌72-73
• 3.3.2 透明电极基本性能73-77
• 3.3.3 透明电极用于聚合物太阳能电池77
• 3.4 本章小结77-78
• 第4章 溶液加工铁电性聚合物作为缓冲层及偶极调控研究78-98
• 4.1 引言78-80
• 4.2 实验部分80-83
• 4.2.1 实验药品80
• 4.2.2 实验仪器及表征手段80-81
• 4.2.3 表征样品和太阳能电池制备81-83
• 4.3 结果与讨论83-97
• 4.3.1 P(VDF-HFP)用作正向器件阴极缓冲层83-93
• 4.3.2 P(VDF-HFP)用作反向器件阳极缓冲层93-97
• 4.4 本章小结97-98
• 第5章 聚合物太阳能电池阴极缓冲层材料探索98-109
• 5.1 引言98-99
• 5.2 实验部分99-101
• 5.2.1 实验药品99-100
• 5.2.2 实验仪器及表征手段100
• 5.2.3 太阳能电池制备100-101
• 5.3 结果与讨论101-108
• 5.3.1 反向器件中 ZnO 界面的处理101-103
• 5.3.2 含有特殊官能团的物质修饰正向器件阴极103-104
• 5.3.3 碱金属卤化物和铁电聚合物作为阴极缓冲层104-105
• 5.3.4 Ag 对阴极界面的修饰105-106
• 5.3.5 器件制备和测试过程中的一些影响因素106-108
• 5.4 小结108-109
• 第6章 结论与展望109-111
• 6.1 结论109-110
• 6.2 展望110-111
• 致谢111-113
• 参考文献113-129
• 攻读学位期间的研究成果129

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

醋酸纳米纤维膜的制备及性能表征    陈艳;费燕娜;王银利;王鸿博;高卫东;

NANOFIBROUS MATS WITH BIRD'S NEST PATTERNS BY ELECTROSPINNING    

激光熔体静电纺丝法制备PLA/EVOH复合纤维    王哲;李秀艳;王娇娜;李从举;

静电纺丝法制备低渗流阈值聚酰亚胺/炭黑导电复合材料    丁义纯;谢成宸;朱健;朱永梅;彭信文;侯豪情;

影响静电纺丝电场强度的因素分析    刘菁;王鑫;

ELECTROSPINNING OF CYCLODEXTRIN FUNCTIonALIZED CHITOSAN/PVA NANOFIBERS AS A DRUG DELIVERY SYSTEM    Maryam Bazhban;Mahdi Nouri;Javad Mokhtari;

静电纺丝法制备纤维素纳米纤维的研究进展    史杏娟;蔡志江;

双层蛛丝蛋白血管支架的体外降解研究    赵亮;徐艳丽;何孟;李敏;陈雨晴;

静电纺锂离子电池隔膜改性研究现状    于宾;焦晓宁;王忠忠;

提高静电纺纳米纤维力学性能的方法    赵楚楚;田龙;潘志娟;

PVA基稀土纳米纤维的制备与红外分析    张迪;李青山;张岩;赵立娇;

二苯基甲烷二异氰酸酯交联抗菌纳米醋酯纤维的制备    姜潜远;马凯凯;蒋之铭;任学宏;黄东时;

聚合物异质结太阳电池-进展与展望(摘要)    曹镛;吴宏滨;黄飞;陈军武;

醇溶性n型自掺杂富勒烯铵    焦伟祥;陈微微;雷鸣;陈希文;

基于S-和N-杂环小分子材料的合成、表征    黄红艳;傅妮娜;刘书利;李劝;赵保敏;黄维;

能源纳米器件中的材料与界面研究    陈立桅;

基于静电纺丝技术的新型阳离子交换膜的制备并应用于冶金工业中碱回收    潘杰峰;葛亮;林小城;吴亮;伍斌;徐铜文;

原位电化学聚合杂化太阳能电池光伏性能研究    路胜利;胡桂林;李国能;张邦虎;

纳米纤维毡复合材料制备及其吸声性能研究    姚理荣;任娟;石琳;徐山青;

能源纳米器件中的材料和界面研究    陈立桅;

静电纺纤维膜的结构调控及其在甲醛传感器中的应用研究    王先锋

纳米聚合物单纤维传感器研究    陈大竞

一维钙钛矿氧化物纳米结构材料的制备及形貌和物性研究    冷静

p型ZnMgO薄膜器件相关性能研究和Ga掺杂ZnO薄膜表面处理    薛雅

功能聚合物光纤器件研究    邱薇薇

纳米结构硅/碳复合材料的制备及其储锂性能的研究    乔丽

基于硅纳米线阵列的有机/无机杂化光伏电池的制备及性能表征研究    申小娟

通过界面修饰改善聚合物太阳能电池性能的研究    刘晓东

喷涂法制备聚合物太阳能电池器件研究    陈征

含多面齐聚倍半硅氧烷的荧光聚合物的设计、合成与应用    杜凡凡

聚丙烯酸超细纳米蛛网的制备及成形机理研究    杨尚斌

环保性静电纺醋酸纤维素的制备与性能研究    王慧

静电成型聚合物纳米纤维结晶行为与结晶结构的研究    马准

静电纺PLA/姜黄素复合薄膜的制备及其性能研究    陈艳

稀土钙钛矿型氧化物纳米带的制备及光催化性质研究    孙霞

纳米纤维膜固定化酶及其酶—膜反应器的构建与性能研究    黄赋

静电纺丝技术制备稀土硫化物低维纳米材料与表征    高萍

静电纺聚氨酯/单壁碳纳米管纤维膜的制备与性能研究    李敏暄

脉冲激光沉积制备氧化物薄膜及其光电性质的研究    张佳旗

纳米结构硅材料的制备及其在锂离子电池中的应用研究    王朋

依赖水汽发电的聚合物薄膜    黄赋云;

聚合物摩擦学的研究动向—记国际聚合物磨损及其控制讨论会    胡廷永

各向异性聚合物薄膜参数的测量与计算    王志刚,任诠,郭士义,牟晓东,张光辉,许东

光漂白对极化聚合物薄膜非线性效应的影响    张水英,王峰,杨艳芳,曹庄琪,沈启舜

聚合物薄膜厚度和极化工艺对二次谐波的影响    吕仕智,曹庄琪,王峰,沈启舜,杨艳芳

聚合物薄膜耐放电性比较(摘要)    蔡小平;高璇;李静一;

An／C_（60）－Polymer／P－Si结构C－V特性    管玉国，戴国瑞

掺杂偶氮苯聚合物薄膜光致双折射特性    陆伟,佘卫龙,张灵志

一种新型厌水性碳氟聚合物薄膜的制备    曾雪锋,岳瑞峰,吴建刚,胡欢,董良,刘理天

均匀介质阻挡放电处理提高聚合物薄膜表面亲水性的研究    方志;杨浩;解向前;

聚合物超薄膜结构松弛的分子模拟研究    汤启云;胡文兵;

聚合物薄膜物理老化中的尺度效应    贺耀龙;胡宏玖;张俊乾;李达开;朱文书;周沙叙;赵峰;

聚合物薄膜表面大面积金属纳米颗粒的均匀沉积及其应用    温建忠;谢耩;汪国平;王建波;

耐溶剂聚合物薄膜的制备及其表征    董小宁;张俊彦;卞凤玲;程锦春;

一种新型厌水性碳氟聚合物薄膜的制备    曾雪锋;岳瑞峰;吴建刚;胡欢;董良;刘理天;

层状组装聚合物薄膜的室温纳米压印    卢迎习;孙俊奇;吕男;沈家骢;

偶氮聚合物薄膜的吸收谱和二次谐波产生的温度特性    高学喜;王文军;刘云龙;

含噻吩的共聚物有序薄膜的制备及电性能测试    卢甜;蔡雪刁;

光学质量电光聚合物薄膜的制备及其电光调制性能    郝聚民;邱玲;沈玉全;杨艳芳;沈启舜;曹庄琪;韩梅娟;朱传凤;万立骏;

数字散斑相关方法在聚偏氟乙烯压电聚合物薄膜力学性能测试中的应用    方菲;张明志;张天禄;单繁立;

聚合物薄膜修复破裂血管    梓桦

光通信开创真正的宽带时代    本报编辑部编译

聚合物电极材料成功应用于电容器    高飞

新型凝胶可随环境变色    记者 冯卫东

介电高弹聚合物力电行为研究与器件设计    李铁风

复杂聚合物薄膜体系的去润湿动力学研究    刘惠

聚合物能带的调控及其在光伏器件中的应用    张庆辉

聚合物光波导材料的合成、表征及应用    费旭

水溶性荧光聚合物的设计、合成与荧光性质研究    王宝燕

含磷酰胆碱功能基团聚合物的制备与生物相容性研究    李琳

聚合物—聚合物配副的摩擦学性能研究    贾彬彬

带亲水基团的有机共轭材料的合成及其对聚合物发光二极管和光伏电池的界面调控    徐晓峰

光漂白对聚合物二次谐波和热光效应的影响研究    陈开盛

抗原子氧用含磷聚芳醚和聚酰亚胺材料的制备及研究    李清明

含二噻吩稠环单元窄带隙聚合物的设计合成及光伏性能研究    曹佳民

双层聚合物薄膜的有序褶皱行为    钱维仙

极化聚合物复合薄膜的光学与电光性能的研究    高怡

以PMMA为基体的光折变聚合物的合成及成份分析    李艳红

弹性聚合物薄膜的力电大变形及失效模式分析    陈程

聚合物薄膜的受激辐射特性研究    高瑞

丙二酸二芘酯类聚合物LB膜的制备及其光刻性质    张敏

极化聚合物的电光特性研究及其应用    李梅

极化聚合物功能薄膜的制备研究    苏万里

多省并醌高介电聚合物的合成与性能研究    赵波