基于新型阴极界面修饰层材料的聚合物太阳能电池的制作与优化

【摘要】：有机光伏技术是未来极具应用潜力的清洁能源技术。有机光伏技术发展至今,聚合物本体异质结有机太阳能电池是目前研究最广泛、光电转换效率最高的器件,而且其记录还在不断地刷新。其中,阴极界面层材料在取得关键性的突破研究中发挥了重要作用。作为有机太阳能电池的重要组成部分,阴极修饰层在有机半导体能级匹配、载流子选择性收集与有效传输等方面起着关键作用。本文主要从两个方面研究了新型阴极修饰层材料对提高有机太阳能电池性能的效果及其作用机理。 一、新型共混自组织阴极修饰层材料体系研究。以富勒烯胺基衍生物(6,6)-苯基-富勒烯61-丁酸2-((2-(二甲基胺)乙基)(甲基)胺)乙酯(PCBDAN)与P3HT/PC6iBM进行共混,设计了一种具有自组织功能的阴极修饰层材料体系,将这种三组分共混物溶液在ITO片基表面直接旋涂成膜,制备反向结构电池,研究了器件的性能与阴极修饰层材料的作用机制。结果显示,器件光伏响应效果明显,光电转换效率得到显著提高。通过形貌研究与表征,结合对不同材料的表面能进行计算发现,PCBDAN在成膜过程中迁移并富集于活性层底部,自组织形成了可靠有效的阴极修饰层。并提出了胺基修饰层材料导致正向结构器件失效的根本原因不是文献报道中的胺基所起的空穴陷阱作用,而是由于材料相分离导致的内部界面能级不匹配所致的新的理论解释,为合理的选择和使用阴极修饰层材料提供了一种全新的思路。 二、新型n型自掺杂富勒烯衍生物材料研究。选择三种富勒烯铵盐衍生物,研究证实,由于该系列材料中均存在n型自掺杂现象,因此具有良好的导电性能,导致材料制成的薄膜,在较高厚度条件下仍可以实现载流子的有效传输。对富勒烯衍生物薄膜的润洗处理实验结果显示,由于材料极性导致的溶剂选择性,使其形成的有机薄膜具有明显的耐溶剂特性。膜厚测试和紫外吸收光谱测试表明,经过溶剂润洗的富勒烯衍生物薄膜仍基本保持完好,其中PCBDANI薄膜具有最好的耐溶剂特性,厚度在润洗前后几乎未发生改变。使用三种不同的富勒烯铵盐作为独立的阴极界面层修饰层,应用于反向结构器件中,取得了良好的器件性能结果特别是以PCBDANI为阴极界面层制备的器件,在PCBDANI膜厚高达82m时,电池仍然具有良好的性能,其光电转换效率高达3.48%。 本论文从两个方面入手,通过研究和利用富勒烯衍生物的独特性能,成功开发出了两类不同的新型阴极界面修饰层材料,在一定程度上解决了目前有机太阳能电池器件生产过程中存在的多层膜的成膜与保护方面的技术性难题,预示着通过进一步调整材料结构和优化加工工艺,可以使大厚度和大面积器件的生产成为可能。 【关键词】：自组织 共轭聚合物 光伏器件 有机电子学 富勒烯
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 学位论文数据集3-4
• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-34
• 1.1 引言12-14
• 1.1.1 键模型与能量带理论12-14
• 1.1.2 载流子的迁移率14
• 1.2 有机电子学的创立14-15
• 1.3 有机光伏理论15-20
• 1.3.1 材料能级与测量16
• 1.3.2 载流子迁移率的测量16-17
• 1.3.3 本体异质结活性层17-18
• 1.3.4 界面理论与界面材料18-20
• 1.4 阴极界面层材料成膜动力学行为20-28
• 1.4.1 阴极界面层材料的自组织20-21
• 1.4.2 共混自组织阴极界面层修饰材料21-23
• 1.4.3 活性层相分离与反向器件结构23-28
• 1.5 有机盐类阴极界面层材料28-31
• 1.5.1 界面层材料的耐溶剂性能28-30
• 1.5.2 界面层材料的掺杂与导电性能30-31
• 1.6 本论文的研究目的和意义31-34
• 第二章 富勒烯衍生物在混合物中的自组织与器件性能34-60
• 2.1 引言34
• 2.2 实验原料与设备34-35
• 2.3 实验内容35-41
• 2.3.1 功函数变化的测定35-36
• 2.3.2 反向对照器件的制作与优化36-38
• 2.3.3 共混器件的制作与优化38-40
• 2.3.4 接触角的测定40
• 2.3.5 PCBDAN独立成膜器件的制作40-41
• 2.3.6 PFN共混器件的制作41
• 2.4 实验结果与讨论41-58
• 2.4.1 胺基材料对电极功函数的影响41-43
• 2.4.2 反向对照器件的性能43-48
• 2.4.3 共混器件的性能48-51
• 2.4.4 表面能的计算51-54
• 2.4.5 PCBDAN独立成膜器件性能54-56
• 2.4.6 PFN共混器件的性能56-58
• 2.5 结论58-60
• 第三章 自掺杂富勒烯铵盐衍生物的特性与相应器件的性能60-74
• 3.1 引言60
• 3.2 实验原料与设备60
• 3.3 实验部分60-63
• 3.3.1 富勒烯铵盐衍生物的结构60-61
• 3.3.2 ESR测试61
• 3.3.3 导电率测试61
• 3.3.4 耐溶剂性能测试61-62
• 3.3.5 反向器件的制作62-63
• 3.4 实验结果与讨论63-73
• 3.4.1 ESR测试63-64
• 3.4.2 导电性能结果64-65
• 3.4.3 耐溶剂性能测试65-66
• 3.4.4 光伏器件性能66-73
• 3.5 实验总结73-74
• 第四章 实验结论74-76
• 参考文献76-82
• 致谢82-84
• 研究成果及发表的学术论文84-86
• 作者及导师简介86-87
• 附件87-88

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