加压溶剂退火对聚合物太阳能电池性能的影响

【摘要】：聚合物太阳能电池具有成本低、重量轻、工艺简单、可制作于柔性衬底等优点，已成为当前的研究热点之一。而与无机材料太阳能电池相比，聚合物太阳能电池的能量转换效率仍比较低，距实用化尚有较大的差距。为提高聚合物太阳能电池的效率，人们从改进器件结构、优化电极缓冲层、合成新材料、改善有源层微观结构及形貌等方面进行了研究和探索。研究表明，由给体和受体材料混合制备的体异质结有源层，其内部的微观结构和表面形貌对聚合物太阳能电池性能有关键性的影响。 本论文对聚合物太阳能电池的有源层采用加压溶剂退火处理。通过提高溶剂退火过程中的环境气压，来减缓有源层中残余有机溶剂的蒸发速率，延长有源层固化成膜的时间，从而改善有源层的微观结构及形貌，提高有源层的成膜质量。 首先，对有源层P3HT:PC61BM采用加压溶剂退火处理，制备了器件结构为：ITO/MoO3/P3HT:PC61BM/LiF/Al的聚合物太阳能电池。实验结果表明，在较高的环境气压下溶剂退火制备的器件性能明显提高；在2.0MPa气压下制备的器件效率最高，达到了3.69%，比常压条件下提高了约29%。为了探索加压溶剂退火对有源层影响的内在因素，对有源层进行了X射线衍射（XRD）、吸收光谱和原子力显微镜（AFM）测试，并且对器件进行了外量子效率（EQE）测试，同时采用加压溶剂退火制备了单载流子器件。测试结果表明，提高溶剂退火的环境气压，一方面增大了有源层的光吸收，增加了光生载流子的数量；另一方面提高了有源层的结晶度和相分离程度，增大了载流子的迁移率，有利于光生激子的解离和载流子的传输。但当有源层溶剂退火的环境气压过高时，会导致有源层的相分离程度过大和电子迁移率下降，光生激子的复合率升高，从而使器件的效率下降。 其次，为了提高聚合物太阳能电池的效率，实验中分别采用新型窄带隙材料PTB7和PC71BM为给体和受体，制备了器件结构为：ITO/MoO3/PTB7:PC71BM/LiF/Al的聚合物太阳能电池。首先对有源层PTB7:PC71BM的制备工艺参数进行了优化，探索了有源层的最佳旋涂转速和最佳旋涂时间。然后对有源层PTB7:PC71BM采用加压溶剂退火处理，并优化了有源层的厚度。实验结果表明，随着溶剂退火环境气压的增大，器件的性能明显提高；在3.0MPa气压下，有源层旋涂转速为1200rpm时，器件的效率最高，达到了6.39%。 本论文采用的有源层加压溶剂退火方法，延长了有源层固化成膜的时间，提高了其结晶度和相分离程度，有利于光生激子的解离和载流子的传输，从而提高了器件的性能，具有较好的应用前景。 【关键词】：聚合物太阳能电池 环境气压 加压溶剂退火 P3HT：PC61BM PTB7：PC71BM
【学位授予单位】：吉林大学
【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
• 第1章 绪论10-34
• 1.1 引言10-11
• 1.2 聚合物太阳能电池简介11-15
• 1.2.1 聚合物太阳能电池的结构11
• 1.2.2 聚合物太阳能电池的工作原理11-12
• 1.2.3 聚合物太阳能电池的主要参数12-15
• 1.3 聚合物太阳能电池研究进展15-32
• 1.3.1 器件结构15-19
• 1.3.2 电极缓冲层19-26
• 1.3.3 聚合物有源层材料26-30
• 1.3.4 有源层结构及形貌30-32
• 1.4 本论文工作32-34
• 第2章 加压溶剂退火对基于 P3HT:PC_(61)BM 聚合物太阳能电池性能的影响34-55
• 2.1 实验过程34-38
• 2.2 实验结果及分析38-47
• 2.2.1 J-V 特性曲线38-43
• 2.2.2 XRD 图像43-44
• 2.2.3 吸收光谱44-45
• 2.2.4 AFM 图像45-46
• 2.2.5 EQE 测量46-47
• 2.3 单载流子器件47-54
• 2.3.1 空间电荷限制电流理论47-48
• 2.3.2 单电子器件48-52
• 2.3.3 单空穴器件52-54
• 2.4 本章小结54-55
• 第3章 加压溶剂退火对基于 PTB7:PC_(71)BM 聚合物太阳能电池性能的影响55-63
• 3.1 实验过程56-57
• 3.2 有源层工艺参数优化57-60
• 3.2.1 有源层旋涂转速优化58-59
• 3.2.2 有源层旋涂时间优化59-60
• 3.3 有源层加压溶剂退火60-62
• 3.3.1 加压溶剂退火的环境气压优化60-61
• 3.3.2 在 3.0MPa 气压下有源层厚度优化61-62
• 3.4 本章小结62-63
• 第4章 总结与展望63-64
• 参考文献64-71
• 作者简介及论文发表情况71-72
• 致谢72

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