叠层有机太阳能电池

【摘要】：目前有机太阳能电池随着科技的发展,效率已经逐步提高,但是仍然不能满足工业化的要求。叠层有机太阳能电池正是为解决该问题应运而生的。叠层太阳能电池能够巧妙的避免单层器件中光谱响应范围过窄的问题,能够更加有效的利用太阳光谱,所以能够有效的提高光伏器件的效率。 本论文的研究工作中,主要围绕叠层太阳能电池的中间层进行展开,因为中间层毫无疑问是叠层电池的关键问题。本文中首先采用溶液法制备了TiO2纳米颗粒薄膜及其单层电池,然后将其应用到叠层器件中,随后又采用热蒸镀法制备了新型的中间层结构,并将其应用到叠层器件中探索其对器件效率的影响。具体的工作分以下三个方面： 第一,利用溶胶-凝胶法制备了TiO2纳米颗粒薄膜,研究了不同的旋转速度、不同的稀释浓度对器件效率的影响。实验表明,200倍异丙醇分散的光电转换效率能够达到2.01%。随后又对不同温度热处理对器件的性能进行了研究,80℃下TiO2薄膜粗糙度为5.91nm,TiO2缓冲层功函数为-4.863eV,在活性层和Al电极之间起到了很好的缓冲作用,降低了活性层与Al电极的接触势垒,从而使该温度下器件的效率达到2.52%。 第二,采用80℃处理的TiO2纳米颗粒薄膜与PEDOTPSS结合,制备了全溶液法的中间层。实验结果表明,这种复合中间层不能有效的保护第一层电池而将两个子电池连接起来,所以Voc在0.50V和0.60V之间浮动,光电转换效率最高也仅为1.3%。我们对其形貌分析也表明,如果中间层保护不好,第一层很容易被清洗掉。随后我们又采用M003取代PEDOTPSS,采用溶液和热蒸镀结合的方法制备中间层,实验发现,器件的整体效果比前者要有所提高,其开路电压可以达到0.71V,转换效率也提高到了1.60%,但是这仍然不能满足目前叠层电池中中间层的要求。 第三,我们采用热蒸镀方法制备Ca和MoO3结合的中间层,5nm厚的Ca和12nm厚的MoO3组合而成的中间层性能很优异,其开路电压达到了1.02V,电流效率提高到了2.16%。可见电池已经被有效的串联起来,但是其电压有损耗,所以我们接下来尝试在Ca和MoO3中间加入Al、Ag和Au来进一步探索其影响。进一步的结果表明,lOnm厚的Al能有效的改善S型曲线,叠层电池的开路电压提高到了1.15V,器件效率相提高到了1.92%。加入Au后,叠层器件的S型曲线被完全消除,器件的开路电压Voc达到了1.06V,短路电流Jsc为4.47mA·cm-2,填充因子FF为67.99%,光电转换效率PCE为3.24%,说明Ca/Au/MoO3是一种十分优异的叠层电池中间层结构。 【关键词】：二氧化钛 叠层太阳能电池 中间层 光电性能
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-7
• 目录7-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 前言10-11
• 1.2 有机太阳能电池11-12
• 1.3 叠层太阳能电池12-13
• 1.4 有机太阳能电池的基本机理13-17
• 1.4.1 基本机理13
• 1.4.2 基本性能参数13-15
• 1.4.3 器件的发展过程15-17
• 1.5 有机叠层太阳能电池的基本机理17-19
• 1.5.1 叠层器件的常见结构17-18
• 1.5.2 叠层电池的中间层18-19
• 1.5.3 叠层电池中急需解决的问题19
• 1.6 TiO_2的基本性质19-21
• 1.7 课题的提出21-22
• 第二章 TiO_2作为阴极修饰层的有机光伏电池22-40
• 2.1 前言22
• 2.2 实验部分22-24
• 2.2.1 原料与药品22-23
• 2.2.2 仪器23
• 2.2.3 TiO_2纳米颗粒薄膜的制备23-24
• 2.3 TiO_2纳米颗粒薄膜的表征24-27
• 2.3.1 紫外吸收光谱Abs24
• 2.3.2 荧光激发发射光谱PL24-25
• 2.3.3 扫描电镜测试和原子力显微镜25-26
• 2.3.4 功函数测试26-27
• 2.4 TiO_2纳米颗粒薄膜在太阳能电池中的应用27-31
• 2.4.1 实验药品及材料27
• 2.4.2 TiO_2厚度对电池性能的影响27-31
• 2.5 不同温度处理的TiO_2对器件的性能影响31-38
• 2.5.1 热处理温度对器件性能的影响31-33
• 2.5.2 不同分散溶剂对活性层润湿性的影响33-34
• 2.5.3 TiO_2对活性层吸光性能的提高34-35
• 2.5.4 TiO_2纳米颗粒薄膜的SEM和XRD表征35-36
• 2.5.5 TiO_2纳米颗粒薄膜的AFM图像36-37
• 2.5.6 不同温度处理的TiO_2纳米颗粒薄膜的电学性能37-38
• 2.6 本章小结38-40
• 第三章 基于TiO_2纳米颗粒薄膜的叠层有机太阳能电池40-51
• 3.1 前言40
• 3.2 实验部分40-42
• 3.2.1 原料与药品40-41
• 3.2.2 仪器41
• 3.2.3 器件的制备41-42
• 3.3 TiO_2/PEDOT：PSS做中间层对器件的性能影响42-45
• 3.4 TiO_2/MoO_3做中间层对器件的性能影响45-50
• 3.5 本章小结50-51
• 第四章 金属半导体为中间层的叠层有机太阳能电池51-65
• 4.1 前言51
• 4.2 实验部分51-53
• 4.2.1 原料与药品51-52
• 4.2.2 仪器52
• 4.2.3 器件的制备52-53
• 4.3 Ca/MoO_3做中间层对器件的性能影响及其优化53-56
• 4.3.1 Ca的厚度对器件的性能影响及其优化53-54
• 4.3.2 MoO_3的厚度对器件的性能影响及其优化54-55
• 4.3.3 子电池厚度对器件的性能影响55-56
• 4.4 在Ca/MoO_3中间层中加入金属对器件的性能影响56-63
• 4.4.1 中间层加入Al对器件的性能影响57-58
• 4.4.2 中间层加入Ag对器件的性能影响58-60
• 4.4.3 中间层加入Au对器件的性能影响60-61
• 4.4.4 中间层加入不同金属对器件的性能影响对比61-63
• 4.5 本章小结63-65
• 第五章 全文总结及工作展望65-67
• 5.1 全文总结65-66
• 5.2 工作展望66-67
• 参考文献67-72
• 发表论文和科研情况说明72-73
• 致谢73

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