提高有机小分子太阳能电池性能的研究

【摘要】：能源对世界经济乃至全人类的发展起着至关重要的作用，利用安全，清洁，分布广泛并且无穷无尽的太阳能是保障人类的生存和可持续发展的重要方法。自从1986年，柯达公司的C.W.Tang首次引入了给体、受体异质结的概念，制备了有机薄膜有机太阳电池(OPV, Organic Photovoltaic)以来。有机太阳能电池以其轻薄，可卷曲，可大面积，低成本制备的优势，得到了科研人员和企业的广泛关注。至2012年初，德国Heliatek公司报道了效率高达9.8%的叠层小分子有机太阳能电池。 进一步提高有机太阳能电池的光电转换效率是其能够大规模应用的必要条件，在影响有机太阳电池光电转换效率进一步提高的几方面原因中，电池器件的串联电阻是一个重要因素。本文将4，4′，4″-tris{N，-（3-methylphenyl）-N-phenylamin}triphenylamine（m-MTDATA）掺入MoOx作为有机太阳电池的空穴传输层来降低其串联电阻，提高其光电转换效率。实验中，我们制备了结构为ITO/m-MTdata:MoO_x(3:1)(30nm)/CuPc(20nm)/C_60(40nm)/Bphen(8nm)/LiF(0.8nm)/Al(100nm)的器件，在AM1.5(100mW/cm2)光源光照条件下，性能参数达到了Voc=0.40V，Jsc=6.59mA/cm~2，FF为0.55，光电转换效率达1.46%，比没有空穴传输层的器件ITO/CuPc(20nm)/C_60(40nm)/Bphen(8nm)/LiF(0.8nm)/Al(100nm)效率提高了38%。实验证明，掺杂的HTL m-MTdata: MoO_x(3:1)(30nm)和ITO电极形成了较好的欧姆接触，减小了有机层和电极之间的接触电阻。 实验中，我们发现采用不掺杂的m-MTDATA层作为HTL的器件的J-V特性曲线为S型曲线，这是因为m-MTDATA/CuPc界面处存在空穴积累。在m-MTDATA中掺入MoO_x生成的电荷转移络合物提高了空穴传输层的空穴迁移率，使m-MTdata: MoO_x和CuPc层的空穴迁移率相匹配，消除了CuPc和HTL界面处的空穴积累，使空穴能够更好的通过空穴传输层被ITO电极收集，提高了器件的效率。我们还研究了不同MoO_x掺杂浓度对器件性能的影响，我们制备了一组具有不同MoO_x掺杂浓度HTL的太阳电池器件，m-MTDATA与MoO_x之比分别为1:1，2:1，3:1，5:1。实验证明，m-MTDATA与MoOx掺杂浓度之比为3:1的器件具有最好的性能。 在此基础上，我们采用具有更好载流子传输特性和光吸收谱的TPTPA/C70作为有机太阳能电池器件的给受体。结构为ITO/m-MTdata:MoO_x(3:1)(30nm)/TPTPA(30nm)/C70(50nm)/Bphen(8nm)/LiF(0.8)nm/Al的器件在100mW/cm~2AM1.5光照条件下，器件的开路电压Voc为0.82V，短路电流Jsc为7.61mA/cm~2，器件的填充因子FF=0.49，100mW/cm~2AM1.5光照条件下器件的光电转换效率达到了3.06%。具有较高的光电转换效率。 本文中我们采用磷光敏化的方法来解决有机太阳能电池器件中有源层激子扩散长度较短的问题，制作了NPB(20nm)，NPB:10wt%Ir(ppy)3(5nm)/NPB(15nm)，NPB:10wt%Ir(ppy)_3(10nm)/NPB(10nm)，NPB:10wt%Ir(ppy)_3(15nm)/NPB5nm)，NPB:10wt%Ir(ppy)_3(20nm)这5种不同掺杂厚度给体的器件，器件的光电流随着Ir(ppy)3在NPB中掺杂厚度的逐渐增加逐渐增大，我们认为Ir(ppy)3起了磷光敏化的作用，把光生单线态激子转化为三线态激子，使更多激子能够到达异质结界面处分离形成自由载流子，说明磷光敏化是一种有效的提高有机太阳能电池效率的手段。 【关键词】：氧化钼 p型掺杂 磷光敏化 有机太阳能电池
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-29
• 1.1 研究背景及意义11
• 1.2 太阳能11-13
• 1.3 太阳能电池13-19
• 1.3.1 太阳能电池参数13-15
• 1.3.2 太阳能电池的发展和种类15-19
• 1.4 有机太阳能电池19-28
• 1.4.1 有机太阳能电池的优点19-20
• 1.4.3 有机太阳能电池的基本原理20
• 1.4.4 有机太阳能电池国内外研究现状20-28
• 1.5 本论文选题的意义和思路28-29
• 第二章 m-MTDATA掺杂MoOx作为p型空穴传输层对有机太阳电池性能的影响29-44
• 2.1 引言29-32
• 2.2 采用m-MTdata: MoOx作为空穴传输层的CuPc/C60异质结太阳能电池32-39
• 2.2.1 实验32-34
• 2.2.2 结果及讨论34-39
• 2.2.3 小结39
• 2.3 采用m-MTdata: MoOx作为空穴传输层的TPTPA/C70异质结太阳能电池39-43
• 2.3.1 器件的结构39-41
• 2.3.2 结果及讨论41-43
• 2.4 小结43-44
• 第三章 采用磷光敏化改善有机太阳能电池性能的研究44-55
• 3.1 单线态和三线态44-45
• 3.2 引言45-47
• 3.3 已发表的一些磷光敏化的研究47-50
• 3.4 NPB掺杂 10wt% Ir(ppy)3作为磷光敏化的给体的研究50-54
• 3.4.1 器件的结构50-51
• 3.4.2 器件制备及测试51-52
• 3.4.3 结果与分析52-54
• 3.5 小结54-55
• 参考文献55-63
• 作者简介63-64
• 在学期间所取得的科研成果64-66
• 致谢66

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