醇溶性共轭聚合物在聚合物太阳能电池阴极界面修饰的研究

【摘要】：聚合物太阳能电池由于自身的实用性特点和加工优势而受到广泛关注,是最有潜力实现大规模商业应用的太阳能电池之一。近年来,新材料的合成和器件物理的发展推动了聚合物太阳能电池,不管从提高器件效率,还是提高器件稳定性方面都取得了很大的进步。虽然如此,但是到目前为止仍然没有达到商业应用标准,聚合物太阳能电池还需要进一步深入研究。合适的界面修饰层对器件的性能和稳定性至关重要,因此近年来,对于器件界面修饰层的研究,也是一个重要的研究热点,特别是阴极界面修饰层的研究。本文主要围绕聚合物太阳能电池阴极界面修饰层进行研究。在阐述了聚合物太阳能电池的研究背景和发展历史的基础上分析了对其研究的必要性,在此基础上介绍了电极界面层的研究状况。为了深入了解聚合物太阳能电池器件,还对其完整制备工艺及测试过程进行了阐述,并分析了其主要性能参数。在发现醇溶性共轭聚合物作为聚合物太阳能电池器件阴极界面层所具有的明显实用性优势的基础上,设计并合成了醇溶性共轭聚合物PBN和PBNBr。通过测试其薄膜的透光率、对ITO粗糙度和功函数的影响,发现其具有较好的透光性、并且可以降低ITO功函数和改善ITO界面形貌。在此基础上,通过聚合物光伏器件为表征手段,首先对PBN和PBNBr作为倒置器件阴极界面修饰层进行了表征,发现其皆有良好的电学和光学特性,并以P3HT:PC61BM为活性层制备出了光电转换效率分别为4.24%和4.53%的性能比较优异的倒置器件。ZnO由于具备比较好的光学特性和电学特性,也常用于倒置器件的阴极修饰层。但是有较多材料对其界面进行修饰后皆可提高其器件效率,因此本文也尝试了使用PBN和PBNBr对ZnO界面进行进一步修饰,结果发现PBN和PBNBr修饰ZnO后,可以明显提高器件性能。由于PBN具备加工优势,鉴于此本文尝试以P3HT:PC61BM为活性层,PBN则代替传统正置器件中的活波金属(Ca、Mg等)作为器件的阴极界面修饰层制备了器件,结果发现PBN作为传统正置器件的阴极修饰层可以显著提高器件效率,说明PBN也可以作为传统正置器件的阴极界面修饰层。叠层聚合物太阳能电池结构是提高器件效率的有效方法,所以在以上基础上,本文也尝试将PBN用于叠层器件的中间链接层,通过各条件的优化,制备出了结构为MoO3/Ag/PBN,并且具备良好的光学和电学性能的中间链接层。使用P3HT:PC61BM为上下子电池的活性层,以MoO3/Ag/PBN为中间链接层,制备出了开路电压得到有效叠加(1.19 V),填充因子较高(62.91%),光电转换效率超过了3%的叠层器件,我们认为如果选用性能优异的吸收光谱互补性材料,将会制备出性能更加优异的高效率叠层器件。 【关键词】：聚合物太阳能电池 阴极界面修饰层 活性层 光电转换效率 叠层 中间链接层
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-21
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 聚合物太阳能电池的基本工作原理11-12
• 1.3 聚合物太阳能电池器件的发展历程12-17
• 1.4 聚合物太阳能电池器件阴极电极界面层的研究现状17-18
• 1.5 本论文的设计思想和内容18-19
• 1.6 本论文研究课题的创新性19-21
• 2 聚合物太阳能电池的制备、性能测试及其主要性能参数21-30
• 2.1 聚合物太阳能电池的制备过程21-24
• 2.1.1 ITO玻璃基片的清洗21
• 2.1.2 氧等离子处理21-22
• 2.1.3 阳极缓冲层（PEDOT:PSS）的制备22-23
• 2.1.4 活性层的制备23
• 2.1.5 阴极缓冲层及电极的蒸镀23-24
• 2.1.6 器件的封装24
• 2.2 聚合物太阳能电池的性能测试24-25
• 2.3 聚合物太阳能电池器件的性能参数25-29
• 2.4 本章小结29-30
• 3 PBN和PBNBr的合成及表征30-40
• 3.1 引言30-31
• 3.2 PBN和PBNBr的合成31-33
• 3.2.1 实验原料和试剂31
• 3.2.2 主要表征仪器31
• 3.2.3 PBN和PBNBr的主要合成过程31-33
• 3.3 PBN和PBNBr的表征33-39
• 3.3.1 PBN和PBNBr的紫外吸收33-35
• 3.3.2 PBN和PBNBr的电化学特性35-37
• 3.3.3 PBN和PBNBr薄膜对ITO界面的影响研究37-39
• 3.4 本章小结39-40
• 4 PBN和PBNBr对于P3HT:PC61BM体系聚合物太阳能电池阴极界面修饰的研究40-58
• 4.1 引言40-41
• 4.2 PBN和PBNBr对倒置器件性能的影响41-48
• 4.3 PBN作为阴极界面修饰层的倒置器件的稳定性研究48-50
• 4.4 PBN和PBNBr对ZnO界面修饰研究50-52
• 4.5 PBN在正置器件阴极界面修饰层的应用研究52-56
• 4.5.1 氧气等离子清洗活性层（P3HT:PC61BM）对器件性能的影响53-54
• 4.5.2 PBN作为阴极界面修饰层对正置器件性能影响的研究54-56
• 4.6 本章小结56-58
• 5 PBN在叠层太阳能电池中间链接层的应用研究58-68
• 5.1 引言58-60
• 5.2 叠层太阳能电池中间链接层MoO3/Ag/PBN的制备及其光学特性60-61
• 5.3 叠层太阳能电池中间链接层MoO3/Ag/PBN的应用61-65
• 5.4 叠层太阳能电池最佳成膜条件的优化65-66
• 5.5 本章小结66-68
• 结论68-69
• 致谢69-70
• 参考文献70-74
• 攻读学位期间的研究成果74

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