基于聚芴掺杂的有机太阳能电池研究

【摘要】：有机太阳能电池相比于传统无机太阳能电池具有成本低、材料来源广泛、柔性、可大面积生产等优点,受到国内外研究人员的广泛关注。然而,不足的光电转换效率制约了其应用与推广,其中存在问题可以归纳为吸光率低导致器件较低的光谱利用率,以及能级不匹配导致的电荷传输受阻。因此,拓宽活性层的光吸收范围、促进载流子的传输等,成为提高器件性能的关键。为解决上述问题,合成窄带隙聚合物、制作级联器件等方法被广泛研究。这些方法虽能解决光吸收低、电荷传输差等问题,但材料制备周期长、实验工艺复杂等负面因素限制了这些方法的发展。本论文中采用了对器件活性层和阴极缓冲层掺杂的方法。掺杂是一种简单易行、效果显著的改善器件性能的手段。文中选用的掺杂物质主要为聚芴(PF)及其衍生物,它具有一定的光致发光效应,并且结构修饰方法简单。文中制备了结构为ITO/Ti O2/PCDTBT:PCBM:PFDTBT/Mo O3/Ag反型聚合物太阳能电池器件。通过掺杂,器件的光吸收率和电荷传输性能被改善,使器件的短路电流和填充因子得到一定提高,薄膜形貌也有一定的改善,光电转换效率提升近7%,实现器件整体性能的突破。论文中还采用三种聚芴材料分别掺入聚乙烯亚胺(PEI)阴极缓冲层中,制作了结构为ITO/PEI:PF/P3HT:PCBM/Mo O3/Ag的电池器件。由于所选的聚芴材料能够将紫外光转化为可见光而被活性层利用,因此缓冲层掺杂聚芴材料能够提高活性层对于入射光的吸收和利用。同时,聚芴材料具有较高的载流子迁移率,更有利于增强电池器件中载流子的传输。经过一系列优化实验后,文中成功将基于P3HT:PCBM电池器件的光电转换效率由3.52%提升至4.72%。文中主要采用聚芴及其衍生物分别对活性层和阴极缓冲层进行掺杂,实现聚合物太阳能电池光谱吸收的提高和电荷传输性质的改善,器件效率明显提升。文中详细描述了器件的制作、测试和表征等过程,对电池器件的探索和深入研究具有良好的借鉴作用。 【关键词】：有机太阳能电池 聚芴 掺杂 光谱利用 电荷传输
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• abstract5-9
• 第一章 绪论9-19
• 1.1 引言9-10
• 1.2 有机太阳能电池的发展历程和研究现状10-14
• 1.3 有机太阳能电池的工作原理14-15
• 1.4 有机太阳能电池结构分类15-17
• 1.5 本论文的选题意义及主要研究内容17-19
• 第二章 掺杂对有机太阳能电池器件性能的影响19-26
• 2.1 引言19
• 2.2 有机太阳能电池主要性能参数19-20
• 2.3 掺杂对有机太阳能电池器件性能的影响20-25
• 2.3.1 掺杂对器件短路电流密度的影响20-22
• 2.3.2 掺杂对器件开路电压的影响22-23
• 2.3.3 掺杂对器件填充因子的影响23-25
• 2.4 本章小结25-26
• 第三章 PFDTBT活性层掺杂的有机太阳能电池的性能提高和机理分析183.1 引言26-36
• 3.2 实验部分27-30
• 3.3 活性层掺杂PFDTBT对有机太阳能电池性能的影响30-35
• 3.3.1 PFDTBT掺杂对器件J-V特性的影响30-31
• 3.3.2 PFDTBT对器件IPCE特性的影响31
• 3.3.3 PFDTBT掺杂对活性层薄膜形貌的影响31-32
• 3.3.4 PFDTBT掺杂对器件电子和空穴的传输能力的影响32-34
• 3.3.5 PFDTBT掺杂对器件性能提高的验证34-35
• 3.4 本章小结35-36
• 第四章 聚芴缓冲层掺杂对有机太阳能电池性能影响及作用机理36-50
• 4.1 引言36-39
• 4.2 实验部分39-40
• 4.3 阴极缓冲层掺杂聚芴对有机太阳能电池性能的影响40-49
• 4.3.1 聚芴掺杂对器件的J-V特性的影响41-44
• 4.3.2 聚芴掺杂对器件IPCE特性的影响44-45
• 4.3.3 聚芴掺杂对活性层薄膜光吸收特性的影响45-46
• 4.3.4 聚芴掺杂对器件的电子传输性能的影响46-47
• 4.3.5 聚芴掺杂对激子产生和电荷收集的影响47-48
• 4.3.6 聚芴掺杂对器件的复阻抗的影响48-49
• 4.4 本章小结49-50
• 第五章 总结50-51
• 参考文献51-58
• 个人简介及科研成果58-60
• 致谢60

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