醇溶性商用聚合物修饰透明阴极的倒装聚合物太阳能电池

【摘要】：聚合物太阳能电池将太阳光转换成电能，是一种有前景的太阳能利用技术器件，其成本低、重量轻、可溶液加工以及可制备成柔性器件，可大面积制备等优势，逐渐受到重视并成为热点研究领域之一。本文主要研究倒装共轭聚合物太阳能电池的透明阴极修饰，选择了几种广泛用于商业中的醇溶性聚合物作为界面修饰材料。通过实验，确定了能有效提高太阳能电池性能的界面修饰材料，并改善工艺进一步提高器件的性能。 选择的修饰材料为聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚乙烯醇（PVA）、聚乙烯醇缩丁醛（PVB）、聚乙二醇（PEG），利用旋涂方法制备缓冲层。研究发现引入PVB、PVA修饰层降低了器件的性能，而引入PVP、PEG修饰层能提高器件的性能。实验中PVP最优浓度为0.5mg/ml，与参照器件相比，器件的效率由2.31%提高到了3.72%，开路电压从0.4V增加到0.53V，外量子效率由原来的45%提高到70%。经分析,引入PVP修饰层能在阴极与活性层之间形成偶极层，使得能级更加匹配，提高电极对载流子的选择性使反向饱和漏电流降低，整流比增大，提高器件的二极管特性。 引入聚乙二醇（PEG）修饰层能提高器件的性能，并且发现器件的性能受到PEG溶液浓度和修饰层制备工艺的影响。实验中最优的浓度和工艺是1mg/ml的溶液，旋涂后在低水氧含量环境下退火处理，可以有效地提高器件的效率，与参照器件相比，器件的效率从2.31%提高到4.94%，开路电压从0.4V增大到0.55V，填充因子由42.38%提高到61.13%。引起这种变化的原因是PEG层改善了界面接触,降低电子在透明电极处的传输势垒，同时增强了电极对载流子的选择性，使反向饱和电流密度减小，而正偏压下的电流密度增大，提高了器件的二极管特性。通过SEM观察活性层形貌发现，引入的PEG修饰层能抑制活性层过度的相分离，使其形成均匀的相分离，利用UPS分析发现，引入的PEG修饰层能降低阴极处的功函数。实验中采用优化的工艺得到了高效率的器件，基于P3HT:PCBM的器件效率达到5.22%，基于PTB7:PCBM的器件效率高达7.83%。 【关键词】：共轭聚合物 太阳能电池 倒置结构 透明阴极修饰 溶液加工
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 课题背景及研究意义9-10
• 1.2 聚合物太阳能电池的研究现状10-17
• 1.2.1 聚合物有太阳能电池的基本原理10-12
• 1.2.2 共轭聚合物材料的发展及现状12-14
• 1.2.3 电极修饰层的研究及发展14-17
• 1.3 课题研究内容及创新性17-18
• 第2章 实验材料和方法18-25
• 2.1 实验材料18-19
• 2.2 器件的制备及设备19-21
• 2.3 太阳能电池性能的表征方法21-25
• 2.3.1 电流密度-电压曲线21-23
• 2.3.2 外量子效率曲线23-25
• 第3章 聚合物修饰透明电极25-42
• 3.1 前言25
• 3.2 修饰材料对器件性能的影响25-40
• 3.2.1 PVB 对器件性能的影响26-28
• 3.2.2 PVA 对器件性能的影响28-31
• 3.2.3 PVP 对器件性能的影响31-39
• 3.2.4 PEG 对器件性能的影响39-40
• 3.3 本章小结40-42
• 第4章 PEG 修饰透明电极42-63
• 4.1 前言42
• 4.2 PEG 修饰 P3HT:PCBM 体系器件的透明电极42-54
• 4.2.1 PEG 溶液浓度对器件性能的影响42-48
• 4.2.2 PEG 的作用原理分析48-50
• 4.2.3 PEG 缓冲层处理工艺对器件性能的影响50-53
• 4.2.4 MoO_3膜厚的影响53-54
• 4.3 PEG 对不同活性材料体系的器件的修饰54-59
• 4.4 PEG 修饰层对器件稳定性的影响59-61
• 4.5 本章小结61-63
• 结论63-64
• 参考文献64-70
• 致谢70

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