溶剂添加剂及阴极修饰在聚合物太阳能电池中的应用

【摘要】：随着全球能源和环境问题的日益凸显，人们对开发新能源技术的呼声日益高涨。其中有机太阳能电池因具有结构和制备过程简单、重量轻、可大面积制备、可弯曲等众多突出优点而受到研究者们的广泛关注和青睐。目前，光电转换效率偏低是困扰有机太阳能电池大规模产业化生产的主要阻碍。因此，如何提高有机太阳能电池的光电转换效率成为当前有机太阳能电池研究领域的热点。本文中我们以主流的体异质结结构聚合物太阳能电池为研究对象，分别研究了邻溴苯酚（2-Bromophenol)作为溶剂添加剂和旋涂尿素（UREA)作为阴极缓冲层对聚合物太阳能电池性能的影响。主要研究内容及结论如下： （1）以聚3-己基噻吩(P3HT)和C60的衍生物(PCBM)为活性层材料，CB为溶剂。研究了在活性层溶液中分别添加不同体积比的2-Bromophenol作为溶剂添加剂对电池性能的影响。通过比较五组不同添加剂含量下电池的性能，我们得到当2-Bromophenol的体积比为1.5%时器件性能最优。相比参考器件我们发现此时其紫外-可见吸收谱显示出红移现象，外量子效率(EQE)曲线峰值明显提升，同时在活性层的给受体材料间形成了较为明显的两相分离结构。在100mW/cm2的光强度照射下，能量转换效率从2.32%提高到了2.90%提高了约25%。 （2）我们采用溶液旋涂的方法研究了有机小分子尿素（Carbamide，UREA)作为阴极缓冲层材料对聚合物太阳能电池性能的影响。实验过程中通过改变匀胶机的转速得到不同厚度的阴极缓冲层并观察其对电池性能的影响。其中当以3000rpm的转速旋涂约3nm厚的UREA作为阴极缓冲层时，器件结构为ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/UREA/Al的电池性能最佳，电池的能量转换效率由2.80%提高到3.36%，提高幅度为20%。通过对电池的暗态J-V曲线、AFM、外量子效率等的分析，我们认为旋涂UREA溶液后可以在光敏层与铝阴极间形成一层界面偶极层，从而有效地降低两者间的界面势垒，提高阴极收集电子效率；同时UREA分子中的孤对电子可以和Al电极发生化学反应，减少了Al原子扩散进入到活性层的数量，起到了对活性层的保护作用。 【关键词】：聚合物太阳能电池 溶剂添加剂 邻溴苯酚 阴极缓冲层 尿素
【学位授予单位】：河北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-21
• 1.1 引言10
• 1.2 聚合物太阳能电池的发展10-12
• 1.3 聚合物太阳能电池的结构12-14
• 1.3.1 单层结构12-13
• 1.3.2 双层结构13-14
• 1.3.3 体异质结结构14
• 1.4 聚合物太阳能电池的工作原理及等效电路图14-18
• 1.4.1 工作原理14-17
• 1.4.2 等效电路图17-18
• 1.5 聚合物太阳能电池的性能参数18-19
• 1.6 本论文的研究内容19-21
• 第2章 聚合物太阳能电池的制备与表征21-27
• 2.1 实验设备介绍21-23
• 2.1.1 电池器件制备系统21
• 2.1.2 电池性能测试系统21-23
• 2.2 实验材料介绍23-25
• 2.3 电池的制备25-27
• 2.3.1 活性层溶液的配制25
• 2.3.2 ITO 玻璃的清洗和处理25
• 2.3.3 有机功能层的制备25
• 2.3.4 阴极的制备和后期处理25-27
• 第3章 添加剂邻溴苯酚对聚合物太阳能电池性能的影响27-34
• 3.1 引言27
• 3.2 实验27-28
• 3.3 实验结果分析28-33
• 3.3.1 J-V 曲线测试28-30
• 3.3.2 活性层的吸收谱30-31
• 3.3.3 外量子效率分析31
• 3.3.4 各器件的 AFM 图31-33
• 3.4 小结33-34
• 第4章 新型阴极缓冲层材料尿素对聚合物太阳能电响池性能的影响34-42
• 4.1 引言34-35
• 4.2 实验35-36
• 4.3 实验结果分析36-41
• 4.3.1 J-V 特性分析36-38
• 4.3.2 活性层形貌分析38-39
• 4.3.3 机理分析39-41
• 4.4 结论41-42
• 结语42-43
• 参考文献43-47
• 致谢47

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