有机太阳能电池给受体界面和电极界面性质的研究

【摘要】：本文设计合成了一系列给体小分子材料，含氟碳链富勒烯受体材料和不同氧化程度的氧化石墨烯等材料，细致的研究给体受体材料界面、电极与活性层之间的界面对有机太阳能电池器件效率的影响，主要内容及结论如下： 1.我们设计合成了以吡咯环二酮为受体单元，以不同共轭性基团为给体单元的给体-受体-给体（A-D-A）型小分子给体材料：T(TDPPT)2、TT(TDPPT)2和BDT (TDPPT)2。理论计算表明，三种小分子具有不同的共平面性，同时也表现出了不同的结晶性。具有结晶性的小分子材料分别与PC71BM、一定比例的DIO共混，以此混合溶液旋涂制备的活性层均形成了具有纳米线结构的小分子聚集体，并且不同结晶性的小分子给体材料还能够有效调节纳米线的尺度（4nm、10–15nm和15–20nm）。通过空间电荷限制电流的方法对上述活性层空穴迁移率和电子迁移率进行测试发现，基于10-15nm长度纳米线的活性层具有更加平衡的空穴和电子迁移率，从而有利于提高器件填充因子和光伏性能。通过调节给体小分子材料的化学空间结构来得到合适结晶尺度的小分子给体材料，并通过添加剂DIO的优化，我们可以得到不同尺度纳米线活性层形貌，而合适的纳米线尺度有利于器件短路电流和填充因子的提高，从而使得器件性能得到很大的提升。 2.我们设计合成了含长氟碳链的富勒烯衍生物13F-PC61BM，发现在溶液旋涂过程中13F-PC61BM能够诱导P3HT结晶，在无需任何后处理的情况下P3HT:13F-PC61BM共混膜能形成长程有序，具有互穿网络结构的形貌，显著提高了电荷传输能力，改善了有机聚合物太阳能电池的能量转换效率。与P3HT: PC61BM体系相比，在未退火条件下，P3HT:13F-PC61BM得到了较高的器件效率。但是由于含氟链具有较大的刚性，会在一定程度上阻碍P3HT链的运动，因此与之前本课题组报道的PCBB-C8受体材料相比，器件未表现出更加优良的性能，并且材料P3HT:13F-PC61BM共混膜在未经热退火处理时还未达到最佳的活性层形貌，经热退火进一步处理的P3HT:13F-PC61BM器件效率也得到了进一步提高。 3.研究了不同氧化程度的pr-GOs作为空穴传输材料对P3HT：PC61BM体系的影响，通过在控制氧化过程中的参数，如预氧化与否，氧化剂含量，氧化时间等得到一系列不同氧化程度的氧化石墨，并将得到的氧化石墨作为空穴传输层材料应用于有机太阳能电池中。我们证明通过不完全氧化的方法可以得到不同程度的氧化石墨界面偶极，从而实现界面材料功函数的调节，而器件界面材料的功函数对于优化器件的效率是非常重要的参数。同时，界面处的能级匹配对进一步降低界面处的串联电阻值，提高并联电阻有重要的影响。另外，通过器件稳定性的研究我们发现，相对于PEDOT: PSS空穴传输层而言，pr-GOs作为空穴传输层的电池器件具有更好的器件稳定性和寿命。 【关键词】：体异质结太阳能电池 界面材料 纳米线 富勒烯受体自组装 氧化石墨
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4;O613.71
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 文献综述10-27
• 1.1 引言10
• 1.2 有机太阳能电池基础理论知识10-14
• 1.2.1 研究背景10-12
• 1.2.2 有机太阳能电池的工作原理及性能表征12-14
• 1.3 有机太阳能电池给受体材料研究现状14-18
• 1.3.1 有机太阳能电池给体材料14-16
• 1.3.2 有机太阳能电池受体材料16-18
• 1.4 有机太阳能电池工艺及器件18-25
• 1.4.1 活性层界面形貌优化18-23
• 1.4.2 电极与活性层界面优化23-25
• 1.5 本论文的设计思想、研究内容及意义25-27
• 1.5.1 课题的提出25-26
• 1.5.2 本论文的研究内容及意义26-27
• 第二章 给体材料调控给受体界面性质的研究27-41
• 2.1 引言27-29
• 2.2 实验部分29-31
• 2.2.1 实验所用材料及仪器29-30
• 2.2.2 材料的合成30
• 2.2.3 有机太阳能电池的制备流程30-31
• 2.3 结果与讨论31-40
• 2.3.1 小分子材料分子模拟31-32
• 2.3.2 小分子材料热学性质研究32-33
• 2.3.3 小分子材料光物理性质研究33-34
• 2.3.4 小分子材料电化学性质研究34-35
• 2.3.5 小分子材料光伏性质研究35-36
• 2.3.6 小分子材料活性层形貌研究36-39
• 2.3.7 小分子材料迁移率性质研究39-40
• 2.4 本章小结40-41
• 第三章 受体材料调控给受体界面性质的研究41-50
• 3.1 引言41
• 3.2 实验部分41-43
• 3.2.1 实验所用材料及仪器41-42
• 3.2.2 材料的合成42-43
• 3.3 结果与讨论43-49
• 3.3.1 13F-PC_(61)BM 结构表征43-44
• 3.3.2 13F-PC_(61)BM 热学性质研究44
• 3.3.3 13F-PC_(61)BM 光物理性质研究44-45
• 3.3.4 13F-PC_(61)BM 电化学性质研究45-46
• 3.3.5 13F-PC_(61)BM 光伏性质研究46-47
• 3.3.6 13F-PC_(61)BM 活性层形貌性质研究47-49
• 3.4 本部分小结49-50
• 第四章 界面材料调控电极界面性质的研究50-59
• 4.1 引言50-51
• 4.2 实验部分51-52
• 4.2.1 实验所用材料及仪器51
• 4.2.2 pr-GOs 的合成51-52
• 4.3 结果与讨论52-58
• 4.3.1 单层 pr-GOs 性质研究52-53
• 4.3.2 pr-GOs 氧含量研究53-54
• 4.3.3 pr-GOs 光学性质研究54
• 4.3.4 pr-GOs 表面形貌及功函数研究54-55
• 4.3.5 pr-GOs 光伏性质及稳定性研究55-58
• 4.4 本部分小结58-59
• 第五章 总结和展望59-62
• 5.1 全文总结59-60
• 5.2 创新之处60-61
• 5.3 存在问题和展望61-62
• 参考文献62-70
• 附录70-72
• 攻读硕士期间发表的论文72-73
• 致谢73-74

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