基于喷涂技术的聚合物太阳能电池制备与性能研究

【摘要】：有机太阳能电池以其制备工艺简单、成本低、可柔性等众多优点受到广泛的关注。随着有机太阳能电池光电转换效率的不断提高,其大规模生产的需要日渐凸显。近年来人们开发出许多与卷对卷技术兼容的可批量生产有机太阳能电池的新技术,其中喷涂技术以其设备简单、材料利用率高、对衬底要求不高等优点得到广泛的应用。喷涂技术制备小尺寸有机太阳能电池的研究已取得了一定的进展,然而其在制备大面积有机太阳能电池上的应用仍然较少,缺乏系统的研究和分析。本文以较成熟的有机电池材料和结构为基础,通过优化阳极缓冲层和有机功能层的喷涂条件提高小面积器件的性能,在此基础上采用喷涂技术制备大尺寸有机太阳能电池器件,并探索哪种结构和喷涂工艺制备的大尺寸有机太阳能电池器件性能最佳。主要研究内容包括：一、探索喷涂技术制备聚3,4-乙撑二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)薄膜时,喷涂流量、溶液浓度(采用去离子水稀释原始PEDOT:PSS溶液,原始PEDOT:PSS溶液的体积分数)以及基底温度对有机太阳能电池器件性能的影响。实验结果表明：喷涂流量为100ul/min、溶液浓度为66.7%、基底温度为100℃时器件的性能最佳,器件的光电转换效率由最初的0.79%提高到1.94%。二、探索喷涂技术制备聚3-己基噻吩：富勒烯衍生物(P3HT:PCBM)复合薄膜的膜厚、基底温度及热退火处理条件对器件性能的影响。实验结果表明：薄膜厚度为260nm、基底温度为130℃、采用130℃60s前热退火与130℃5min后热退火结合的热退火处理方式得到的有机太阳能电池器件的性能最佳,器件的光电转换效率由最初的0.13%提高到2.58%。三、研究器件有效面积对器件性能的影响及影响机制,并在此基础上探索大面积有机太阳能电池器件结构对器件性能的影响,发现采用串并联结构法制备的大面积器件性能最佳。最后通过优化串并联结构大面积器件的喷涂走向,将面积11.2cm2的串并联结构大面积器件的光电转换效率由0.91%提高到1.82%。本文对喷涂技术制备有机太阳能电池阳极缓冲层和有机功能层的条件进行了系统的探索,为喷涂技术制备有机太阳能电池的研究提供了有价值的参考；同时,采用喷涂技术制备了串并联结构大面积有机太阳能电池组件,并得到了较好的器件性能,进一步彰显了喷涂技术在大规模生产有机太阳能电池中的地位和发展前景。 【关键词】：喷涂技术 大面积 有机太阳能电池 串并联结构 P3HT:PCBM
【学位授予单位】：福州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 中文摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-23
• 1.1 有机太阳能电池简介8-13
• 1.1.1 有机太阳能电池的结构8-10
• 1.1.2 有机太阳能电池的工作原理10-11
• 1.1.3 有机太阳能电池的材料11-13
• 1.2 太阳能电池的光电特性分析13-16
• 1.2.1 太阳能电池的光电特性曲线13-14
• 1.2.2 太阳能电池的等效电路14-16
• 1.3 有机太阳能电池的制备技术16-20
• 1.3.1 旋涂技术16-17
• 1.3.2 喷墨打印技术17
• 1.3.3 丝网印刷技术17-18
• 1.3.4 新型制备技术18-20
• 1.4 本课题的研究意义与内容20-23
• 1.4.1 本课题的研究意义20-21
• 1.4.2 本课题的研究内容21
• 1.4.3 本文的内容结构21-23
• 第二章 阳极缓冲层的喷涂条件对有机太阳能电池性能影响23-40
• 2.1 前言23
• 2.2 实验部分23-26
• 2.2.1 药品与材料23-24
• 2.2.2 仪器设备24
• 2.2.3 器件制备工艺24-26
• 2.2.4 器件及薄膜性能测试26
• 2.3 实验结果与分析26-38
• 2.3.1 喷涂流量对有机太阳能电池性能的影响26-30
• 2.3.2 溶液浓度对有机太阳能电池性能的影响30-34
• 2.3.3 基底温度对有机太阳能电池性能的影响34-38
• 2.4 本章总结38-40
• 第三章 有机功能层的喷涂条件对有机太阳能电池性能影响40-59
• 3.1 研究背景40
• 3.2 实验部分40-43
• 3.2.1 药品与材料40-41
• 3.2.2 仪器设备41
• 3.2.3 器件制备工艺41-43
• 3.2.4 器件及薄膜性能测试43
• 3.3 实验结果与分析43-57
• 3.3.1 膜厚对有机太阳能电池性能的影响43-45
• 3.3.2 基底温度对有机太阳能电池性能的影响45-50
• 3.3.3 热退火处理条件对有机太阳能电池性能的影响50-57
• 3.4 本章总结57-59
• 第四章 喷涂技术制备大面积有机太阳能电池组件59-72
• 4.1 研究背景59-60
• 4.2 实验部分60-61
• 4.2.1 药品与材料60
• 4.2.2 仪器与设备60
• 4.2.3 器件制备工艺60-61
• 4.2.4 器件性能测试61
• 4.3 实验结果与分析61-71
• 4.3.1 器件面积对器件性能的影响61-63
• 4.3.2 不同结构对大面积器件性能的影响63-69
• 4.3.3 串并联结构大面积器件喷涂工艺探索69-71
• 4.4 本章总结71-72
• 结论与展望72-74
• 1.总结72-73
• 2.特色与创新73
• 3.展望73-74
• 参考文献74-82
• 致谢82-83
• 个人简历83-84
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文84

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