有机小分子阴极缓冲层提高聚合物太阳能电池的性能

【摘要】：聚合物太阳能电池因其成本低、重量轻、可生产柔性器件和制备工艺简单等优点,而成为新型可再生能源研究的热点。如何提高聚合物太阳能电池的能量转换效率(PCE)一直是聚合物太阳能电池的研究重点,目前可行的方法主要包括新型给体／受体材料的开发、光伏活性层微观形貌的调控、电池器件结构优化、引入缓冲层进行界面修饰、电极材料的优化与改进等。本论文主要集中于利用新型有机小分子阴极缓冲层提高聚合物太阳能电池的性能研究,开展了以下两方面的工作： (1)首次将含氨基(-NH2)的三种有机小分子,缩二脲(Biuret, C2H5N3O2)、二氰二胺(Dicyandiamide, C2H4N4)和尿素(Urea, CH4N2O),用作阴极缓冲层,显著地提高了P3HT:PCBM聚合物太阳能电池的能量转换效率。我们通过旋涂的方法将含氨基的有机小分子直接嵌入到P3HT:PCBM聚合物太阳能电池的光伏活性层和阴极(A1)之间,形成阴极缓冲层。在优化的溶液浓度(1.0mg/mL)和旋涂速度(3000rpm)条件下,引入了缩二脲、二氰二胺和尿素的P3HT：PCBM聚合物太阳能电池的能量转换效率分别为3.84%,4.25%和4.39%,相对于未引入任何阴极缓冲层的参比电池分别提高了15%、27%和31%。分析表明能量转换效率的提高主要归因于短路电流(Jsc)和填充因子(FF)的提高,其中短路电流的提高幅度分别为13%、11%和15%,而填充因子的提高幅度分别为2%、11%和12%。引入含氨基的有机小分子阴极缓冲层对于短路电流和填充因子的提高的机理主要是因为在光伏活性层和阴极(A1)之间形成了正电荷端指向铝电极而负电荷端指向活性层的界面偶极层,降低了A1电极和PCBM之间的能垒,使得电子更容易被阴极抽取和收集。进一步地,我们提出三种不同的含氨基有机小分子作为阴极缓冲层的效果差异是由于分子结构中所含的氨基数目的不同以及分子自身偶极的差异造成了界面偶极大小的差异,对功函数的修饰效果不同,从而对聚合物太阳能电池的提高幅度不同。 (2)将柠檬酸三乙酯(triethyl citrate, C12H20O7)作为阴极缓冲层分别引入到P3HT:PCBM和PCDTBT:PC7oBM体系聚合物太阳能电池中,有效地提高了电池的能量转换效率。初步实验结果表明,在优化的旋涂条件(溶液浓度为1.0mg/mL,旋涂速度为3000rpm)下,将柠檬酸三乙酯嵌入到聚合物太阳能电池的光伏活性层和阴极(A1)之间形成阴极缓冲层,P3HT:PCBM和PCDTBT:PC7oBM体系的电池器件的能量转换效率分别提高了25%和11%。对于P3HT:PCBM体系,这一提高主要来自于短路电流(Jsc)和填充因子(FF)的提高；而对于PCDTBT:PC70BM体系而言,能量转换效率的提高则主要来自于开路电压(Voc)和填充因子(FF)的提高。具体的机理仍需进一步的深入研究。 【关键词】：聚合物太阳能电池 阴极缓冲层 能量转换效率 有机小分子 缩二脲 二氰二胺 尿素 柠檬酸三乙酯
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-39
• 1.1 引言12-15
• 1.2 聚合物太阳能电池的结构分类及工作原理15-20
• 1.2.1 单层聚合物太阳能电池15-16
• 1.2.2 双层聚合物太阳能电池16-17
• 1.2.3 体相异质结聚合物太阳能电池17-19
• 1.2.4 叠层聚合物太阳能电池19-20
• 1.3 聚合物太阳能电池的材料20-28
• 1.3.1 电子给体材料20-24
• 1.3.2 电子受体材料24-25
• 1.3.3 缓冲层材料25-27
• 1.3.3.1 阳极缓冲层(anode buffer layer,ABL)25-26
• 1.3.3.2 阴极缓冲层(cathode buffer layer,CBL)26-27
• 1.3.4 电极材料27-28
• 1.4 聚合物太阳能电池的制备流程28-31
• 1.4.1 ITO刻蚀28
• 1.4.2 ITO基片清洗28-29
• 1.4.3 活性层溶液配制29
• 1.4.4 ITO基片预处理29
• 1.4.5 阳极缓冲层PEDOT：PSS的制备29
• 1.4.6 光伏活性层的制备29-30
• 1.4.7 金属阴极的制备30
• 1.4.8 退火处理30-31
• 1.5 聚合物太阳能电池的器件性能表征31-34
• 1.5.1 聚合物太阳能电池的等效电路图31
• 1.5.2 聚合物太阳能电池的主要参数31-34
• 1.6 本论文的选题思路和主要内容34-35
• 参考文献35-39
• 第二章 含氨基有机小分子缩二脲、二氰二胺、尿素作为阴极缓冲层提高聚合物太阳能电池的性能39-62
• 2.1 引言39-40
• 2.2 实验部分40-41
• 2.2.1 原料与试剂40
• 2.2.2 基于P3HT:PCBM的体相异质结聚合物太阳能电池制备40-41
• 2.2.3 测试表征41
• 2.3 结果与讨论41-58
• 2.3.1 引入缩二脲、二氰二胺和尿素作为阴极缓冲层的聚合物太阳能电池的J-V特性曲线42-52
• 2.3.1.1 溶液浓度对缩二脲、二氰二胺和尿素作为阴极缓冲层的影响42-46
• 2.3.1.2 旋涂速度对缩二脲、二氰二胺和尿素作为阴极缓冲层的影响46-52
• 2.3.2 薄膜的紫外吸收光谱52-53
• 2.3.3 P3HT：PCBM/CBL薄膜的表面形貌和阴极缓冲层厚度53-54
• 2.3.4 缩二脲、二氰二胺和尿素阴极缓冲层对P3HT:PCBM体相异质结聚合物太阳能电池效率提高的机理54-58
• 2.4 本章小结58
• 参考文献58-62
• 第三章 柠檬酸三乙酯作为阴极缓冲层提高聚合物太阳能电池的性能62-75
• 3.1 引言62
• 3.2 体相异质结聚合物太阳能电池的制备62-64
• 3.2.1 原料与试剂62
• 3.2.2 体相异质结聚合物太阳能电池的制备62-64
• 3.3 结果与讨论64-73
• 3.3.1 嵌入柠檬酸三乙酯作为阴极缓冲层的聚合物太阳能电池J-V特性曲线64-70
• 3.3.1.1 柠檬酸三乙酯作为阴极缓冲层对P3HT：PCBM体系聚合物太阳能电池性能的影响64-67
• 3.3.1.2 柠檬酸三乙酯作为阴极缓冲层对PCDTBT：PC_(70)BM体系聚合物太阳能电池性能的影响67-70
• 3.3.2 紫外吸收光谱70-71
• 3.3.3 薄膜表面形貌71-72
• 3.3.4 柠檬酸三乙酯阴极缓冲层对于不同活性层体系的影响比较72-73
• 3.4 本章小结73
• 参考文献73-75
• 第四章 总结与展望75-77
• 4.1 全文总结75-76
• 4.2 工作展望76-77
• 致谢77-78
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果78

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