基于聚合物的有机太阳能电池的研制与表征

【摘要】： 有机聚合物太阳能电池具有材料来源广泛、制作成本低、重量轻、制备工艺简单、易于大规模生产等突出优势,显示出巨大的开发潜力,因而成为近些年有机光电器件研究的前沿热点领域之一。 本论文围绕有机聚合物体异质结太阳能电池开展研究工作。选取新型合成的有机小分子和窄能隙聚合物拓宽对太阳光的吸收范围；采用微波退火提高材料的结晶度和电导率；使用碳纳米管作阳极以增强空穴注入和传输的能力。具体的内容及结论如下： 1、采用新型氟硼配合物PIDB作为电子受体,MEH-PPV为给体,制备结构为ITO/PEDOT:PSS/MEH-PPV:PIDB/A1的体异质结电池。结果显示,与MEH-PPV相比,PIDB与MEH-PPV的混合薄膜在可见区的吸收范围扩展大约30nm。随着PIDB掺杂比例的不同,电池的光电性能也随之有着明显的变化。当MEH-PPV与PIDB的质量比为1：1时,电池的光电性能最佳,开路电压(VOC)为0.59V,填充因子(FF)为0.54,光电转换效率(η)达到0.31%。阻抗谱分析推断,三个器件相差较大的填充因子是由器件的电阻效应所致。 2、以基于二噻吩并[3,2-b：2',3'-d]吡咯(简称DTP)的两种窄能隙聚合物DTP-BTD和DTP-BH-BTD为电子给体,PCBM为受体,分别制备结构为ITO/PEDOT:PSS/DTP-BTD:PCBM/A1和ITO/PEDOT:PSS/DTP-BH-BTD:PCBM/A1的体异质结电池。结果显示,DTP-BTD和DTP-BH-BTD的吸收范围延伸到700nm左右,外量子效率的测试也进一步表明,在450nm和600nm附近有峰值响应。基于DTP-BH-BTD的电池呈现出较高的光电性能,JSC为3.16mA／cm2,VOC为0.4V,FF为0.44,η达到0.51%。 3、对ITO／PEDOT：PSS／F8T2：PCBM／Au体异质结电池分别采用微波和退火炉进行退火处理,对电池的光电特性进行比较。结果显示,经微波(2.45GHZ,600W)多模式下处理90s后的电池,则表现出较高的光电特性：JSC(3.66mA／cm2)、VOC(0.61V)FF(0.53),η达到1.18%,比退火炉70℃处理15min的电池的77提高约30%。电池性能的提高得益于微波退火后F8T2与PCBM之间相分离的改善,聚合物分子链发生一定的取向,为载流子的传输形成路径。另外,微波不仅对活性层材料层有着退火作用,而且对金属电极也有着影响,微波退火后,电极与活性层之间的欧姆接触得到很好地改善。 4、以具有高导电性与高透射率的单壁碳纳米管作阳极材料,制备结构为CNT/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/A1的电池,并与ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/A1电池,作了光电性能方面的比较。结果表明,以CNT衬底的器件在温度150℃退火15min的条件下,性能最佳：JSC(4.01mA／cm／)、VOC(0.614V)、FF(0.50),η达到1.22%。对实验中所出现的薄膜分区现象进行分析和探讨,得到一些有价值的结果和经验。 【关键词】：有机太阳能电池 聚合物 光电特性 转化效率
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-36
• 1.1 有机太阳能电池的发展历史11-12
• 1.2 有机聚合物太阳能电池的材料12-18
• 1.2.1 阳极材料13
• 1.2.2 活性层材料13-16
• 1.2.3 阴极材料16
• 1.2.4 有机半导体的能带模型16-18
• 1.3 有机太阳能电池的工作原理18-24
• 1.3.1 光生伏特效应18-20
• 1.3.2 有机太阳能电池的等效电路及能带理论20-24
• 1.4 太阳能电池的重要特性24-28
• 1.4.1 光谱响应特性24
• 1.4.2 温度特性24-25
• 1.4.3 I-V特性及性能参数25-28
• 1.5 有机聚合物太阳能电池的结构及机理28-34
• 1.5.1 双层结构及机理28-29
• 1.5.2 体异质结电池及机理29-31
• 1.5.3 分子D-A结器件及机理31-32
• 1.5.4 级联结构及机理32-33
• 1.5.5 层压式扩散异质结电池及机理33-34
• 1.6 本论文主要研究工作34-36
• 2 有机太阳能电池的实验设备与表征技术36-51
• 2.1 有机太阳能电池的制备流程36-43
• 2.1.1 衬底ITO的刻蚀与处理36
• 2.1.2 PEDOT:PSS缓冲层的制备36-37
• 2.1.3 活性层薄膜的制备37-38
• 2.1.4 退火处理38
• 2.1.5 金属电极的蒸镀38-41
• 2.1.6 有机太阳能电池的封装41-42
• 2.1.7 有机太阳能电池的制备系统-手套箱42-43
• 2.2 有机太阳能电池光电性能的表征技术43-50
• 2.2.1 紫外-可见光吸收光谱仪系统43-45
• 2.2.2 透射-反射光谱的测试系统45-46
• 2.2.3 光致发光光谱的测试系统46-47
• 2.2.4 原子力显微镜的测试系统47-48
• 2.2.5 I-V特性的测量系统48-50
• 2.2.6 光谱响应特性的测量系统50
• 2.3 其它测试方法50-51
• 3 有机小分子掺杂对太阳能电池性能的提高51-60
• 3.1 引言51-52
• 3.2 器件制备52-53
• 3.3 实验结果与讨论53-59
• 3.3.1 电池活性层材料的吸收测试53-54
• 3.3.2 电池活性层材料的PL谱分析54-55
• 3.3.3 电流-电压特性的测试与分析55-56
• 3.3.4 电池的阻抗特性分析56-59
• 3.4 本章小结59-60
• 4 基于窄能隙聚合物的有机太阳能电池60-72
• 4.1 引言60-62
• 4.2 仪器与实验过程62-63
• 4.2.1 测试仪器62
• 4.2.2 实验过程62-63
• 4.3 实验结果与讨论63-71
• 4.3.1 紫外-可见吸收光谱分析63-64
• 4.3.2 聚合物的电化学分析64-65
• 4.3.3 荧光光谱分析65-66
• 4.3.4 TGA和DSC热性分析66-68
• 4.3.5 电流电压特性和EQE光谱响应68-71
• 4.4 本章小结71-72
• 5 退火对太阳能电池光电特性的提高72-79
• 5.1 引言72-73
• 5.2 实验部分73-74
• 5.2.1 仪器与设备73-74
• 5.2.2 实验过程74
• 5.3 实验结果与讨论74-78
• 5.3.1 紫外-可见吸收谱分析74-75
• 5.3.2 薄膜的AFM图像分析75-76
• 5.3.3 荧光光谱分析76
• 5.3.4 电流-电压特性分析76-78
• 5.4 本章小结78-79
• 6 以单壁碳纳米管作为阳极的有机聚合物太阳能电池79-88
• 6.1 引言79-80
• 6.2 SWCNTs薄膜及电池的制备80
• 6.3 实验结果与讨论80-87
• 6.3.1 电阻和透射谱的测试81-83
• 6.3.2 电流-电压特性分析83-85
• 6.3.3 退火对电池特性的影响85-87
• 6.4 本章小结87-88
• 结论88-90
• 本论文创新点摘要90-91
• 参考文献91-108
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况108-109
• 致谢109-110
• 作者简介110-111

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