聚合物体异质结太阳能电池：分子结构，形貌控制以及阴极界面的相关研究

【摘要】：如今,伴随着全球经济快速发展,人口迅速增加,煤、石油和天然气等传统的能源告罄在即,人们意识到了寻找可靠再生能源的重要性和紧迫性。于是,太阳能作为一种绿色环保的能源成为学术界和工业界关注的焦点,光伏发电是一种有效的太阳能利用方式,目前无机的单晶硅太阳能已经逐步形成产业化,因为这一类电池的能量转换效率相对较高,但是由于该类电池的制备工艺复杂,所需的制备条件也比较的苛刻,再者生产成本非常的高昂,无法制备柔性化器件等等缺陷,制约了其大规模的平民化应用。而聚合物异质结太阳能电池因其低廉的成本、轻便的质量、可制备成大面积器件、简单的制备工艺以及聚合物材料具有广泛来源等优势得到人们的关注。聚合物体异质结太阳能电池器件的性能受多种因素的影响,比如,活性层给受体的材料结构、给受体的比例、薄膜的形貌、活性层与电极接触的界面好坏等。本论文围绕着提高器件性能的核心,从聚合物给体材料的侧链结构优化、器件活性层形貌控制以及电池界面材料的作用机理三个方面展开了相关研究,内容提要如下:1.绪论部分综述了有机聚合物体异质结太阳能电池的发展历程、器件材料与器件结构、工作机理与性能的表征以及器件优化方法等。2.在第二章中,我们探索了聚合物给体材料结构对器件性能的影响,报道了一种可用作太阳能电池电子给体的共轭聚合物材料(PDVF),通过调控该材料中的呋喃改性DPP结构单元中侧链的长度,有效的提高了器件的光电转化效率(PCE),从3.57%提高到了4.56%。我们通过AFM/TEM研究了PDVF-8/10:PC71BM活性层水平方向的形貌差异,通过XPS深度剖析(XPS-depth profiling)研究了活性层中给受体的纵向分布变化,并采用阻抗谱(IS)研究了形貌和光伏性能间的关系。3.在第三章中,我们把焦点投向了器件活性层形貌的优化处理上,采用溶剂添加剂(DIO,CN)和甲醇处理(MT)的方法对基于PDVF-8:PC71BM的器件进行优化,显著提高了能量转化效率(PCE)。当溶剂为氯仿(CF)时,PCE为0.71%,使用CN(1-氯萘)作为添加剂后,PCE提升到了4.26%,再用甲醇处理后(MT),PCE进一步提升到了4.69%。我们通过AFM,TEM,电子透射显微镜-能量分散光谱(TEM-EDS)和XPS深度剖析(XPS-depth profiling)研究了溶剂添加剂1,8二碘辛烷(DIO),1-氯萘(CN)以及甲醇处理(MT)对PDVF-8:PC71BM活性层薄膜的形貌影响。4.在第四章中,我们把关注点放在器件阴极界面修饰上,研究了PFN作为阴极界面缓冲层(CBL)的正式、反式太阳能电池器件的阴极能级排布。采用紫外光电子能谱(UPS)表面分析技术,对电极/PFN和PFN/PC71BM界面的能接排布进行了细致的研究。我们发现,PFN阴极界面缓冲层(CBL)可以有效地降低正式器件阴极(Ag/PFN/PC71BM)和反式器件阴极(ITO/PFN/PC71BM)的电子抽出势垒(EEB),分别从0.72 eV和0.58 eV降低到了0.38 eV和0.36 eV。在反式器件阴极中存在一层介于PFN层和PC71BM层之间的PFN和PC71BM的混合层,从而导致了独特的界面能级排布。我们建立了一个具有普适性的模型很好的描述了由PFN修饰的正式器件阴极(Ag/PFN/PC71BM)和反式器件阴极(ITO/PFN/PC71BM)的能级排布。 【关键词】：聚合物体异质结太阳能电池(PSCs) 吡咯并吡咯二酮(DPP) 聚合物给体材料侧链调控 二元溶剂体系 甲醇处理 紫外光电子能谱 X射线光电子能谱-深度剖析 阻抗谱 PFN ICT模型 界面能级排布
【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】：O631;TM914.4
【目录】：

• 中文摘要4-6
• ABSRACT6-10
• 第一章 绪论10-56
• 1.1 引言10
• 1.2 有机聚合物太阳能电池发展的重要历程10-16
• 1.3 有机聚合物太阳能电池的器件与材料16-29
• 1.3.1 有机聚合物太阳能电池器件工作原理16-18
• 1.3.2 有机太阳能电池器件结构18-21
• 1.3.3 有机聚合物太阳能电池的性能表征21-24
• 1.3.4 有机聚合物太阳能电池材料24-29
• 1.4 有机聚合物太阳能电池的器件优化29-38
• 1.4.1 器件活性层形貌优化29-33
• 1.4.2 器件的界面修饰33-38
• 1.5 本文研究思路和成果38-40
• 参考文献40-56
• 第二章 通过调控基于呋喃改性吡咯并吡咯二酮单元的聚合物给体材料中的侧链结构提高器件光伏性能56-76
• 2.1 引言56-58
• 2.2 实验部分58-60
• 2.2.1 样品准备58
• 2.2.2 器件制备58
• 2.2.3 表征方法58-60
• 2.3 结果与讨论60-71
• 2.3.1 材料能级排布和吸收谱60-62
• 2.3.2 器件光伏性能62-64
• 2.3.3 活性层形貌64-66
• 2.3.4 活性层给受体纵向分布66-69
• 2.3.5 器件阻抗谱（形貌与光伏性能间的联系）69-71
• 2.4 本章小结71-72
• 参考文献72-76
• 第三章 通过溶剂添加剂和甲醇处理的方法提高基于呋喃改性的吡咯并吡咯二酮单元的聚合物给体材料的器件光伏性能76-92
• 3.1 引言76-77
• 3.2 实验部分77-79
• 3.2.1 样品准备77
• 3.2.2 器件制备77-78
• 3.2.3 表征方法78-79
• 3.3 结果与讨论79-89
• 3.3.1 器件光伏性能79-83
• 3.3.2 活性层形貌83-87
• 3.3.3 活性层给受体材料纵向分布87-89
• 3.4 本章小结89-90
• 参考文献90-92
• 第四章 PFN阴极界面缓冲层在常规和反式聚合物太阳能电池器件中作用机理的研究92-112
• 4.1 引言92-94
• 4.2 实验部分94-95
• 4.2.1 材料准备和薄膜器件制备94-95
• 4.2.2 表征方法95
• 4.3 结果与讨论95-108
• 4.3.1 正、反式器件阴极制备的差异以及采用“Peel off”方法对反式器件阴极进行模拟95-97
• 4.3.2 PFN层厚度对Ag和ITO基底功函数的影响97-98
• 4.3.3 PFN修饰层对阴极电子抽出势垒（阴极界面能级排布）的影响98-101
• 4.3.4 采用ICT模型对基于PFN的器件阴极能级排布进行分析101-104
• 4.3.5 混溶层的形成及其诱导的特殊能级排布104-108
• 4.4 本章小结108-109
• 参考文献109-112
• 结论112-114
• 作者简历114
• 攻读学位期间的论文发表情况114-116
• 致谢116

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