C_（60）和PCBM共掺P3HT体异质结太阳能电池的研究

【摘要】： 太阳能作为一种清洁的可再生能源越来越引起人们的重视,无机太阳能电池能量转换效率可以轻松突破15%,但是由于硅材料具有较高的成本,使其发展大受限制。而对于聚合物光伏器件,由于其具有较低的材料和制作成本、良好的机械性和柔韧性、化学结构的可操作性使其变得非常有潜力,当前基于PCBM([6,6]-pheny1 C61-butyric Acid Methy1 Ester)和P3HT(Poly(3-Hexylthiophene))的光伏器件能量转换效率可以突破6%,与无机太阳能电池相比,其转换效率比较低,发展受到一定制约。因此目前的研究主要集中在材料的选择和器件结构的优化上面。 本文首先回顾了基于聚合物/富勒烯的体异质结太阳能电池的发展历程和发展现状;而后介绍在聚合物光伏中常用的几种材料器件的结构,接着介绍了有机光伏的基本机理。最后针对目前有机光伏光电转换率较低的不足,使用C_(60)和PCBM作为电子受主共同掺杂到施主材料P3HT中,分析了C_(60)在改善器件性能方面的作用,同时研究了退火方式以及溶剂效应对于P3HT:PCBM:C_(60)体异质结光伏体系微区形貌和器件性能的影响。 本文使用C_(60)和PCBM作为电子受体对P3HT掺杂制成体异质结太阳能电池,分别制备了ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/A1和ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM:C_(60)/A1器件,通过改变制作工艺,经过分析各种器件的I-V曲线,结果表明以PCBM和C_(60)共同作为电子受主效率明显优于单纯使用PCBM,太阳能电池的光电转换效率有了显著的增长;ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM:C_(60)/A1器件在不同退火方式和退火温度下性能有很大的不同,使用器件退火(post-anneal)的方式,在140℃下对光伏器件热处理10分钟,器件的性能较高;不同溶剂对有机薄膜的微区形貌有很大影响,最终影响电池的光电转换效率。具体结果如下: 1.在C_(60)加入以后,改善了电子受主材料(PCBM+C_(60))的LUMO能级(LowestUnoccupied Molecular Orbital)(最低未占据轨道),使得太阳能电池的开路电压有了一定的增长。 2.证实了器件退火的方法可以有效增大器件的并联电阻和开路电压;同时使用器件退火的方式减少了串联电阻,使有机层和金属电极之间有更好的分离界面,薄膜有更好的自组装效应,太阳能电池有更高的的短路电流密度;且以PCBM和C_(60)共掺P3HT的光伏器件,在140℃下对器件退火处理,薄膜内三种物质有最佳的相分离尺度,器件的性能也相应较高。 3.C_(60)在不同溶剂中溶解度不同,实验证明其在邻二氯苯(1.2-dichlorobenzene)(ODCB)中有较好的溶解度;P3HT:PCBM:C_(60)三种材料溶于ODCB时,器件有更好的表面形貌,最终改善了器件的短路电流密度和光电转换效率。 4.邻二氯苯(DCB)为溶剂的前提下,P3HT:PCBM:C_(60)薄膜的形貌要优于P3HT:PCBM的形貌;使用氯苯(CB):邻二氯苯(ODCB)的混合溶剂,随着C_(60)的加入,甚至可以产生贯穿整个有机层的C_(60)电子传输通道,提高了有机层的电子传输能力和阴极的电子收集能力:即在金属电极附近,受主分子的相对面积变大,解决了体异质结中电子、空穴不能分别被阴极、阳极所接收的问题,最终改善了太阳能电池的光电转换效率(PCE=5.38%)。 【关键词】：有机光伏器件(OPV) 电子受主 C_(60) 混合溶剂
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 致谢5-6
• 中文摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 第一章 绪论12-26
• 1.1 引言12-13
• 1.2 有机光伏技术的发展历程和现状13-14
• 1.3 有机光伏器件结构和材料14-20
• 1.3.1 有机光伏器件的基本结构14-16
• 1.3.2 有机太阳能电池的主要应用材料16-20
• 1.4 有机太阳能电池的基本原理20-22
• 1.4.1 有机光伏电池分类20
• 1.4.2 异质结太阳能电池能级结构及工作原理20-21
• 1.4.3 体异质结太阳能电池21-22
• 1.5 有机/无机太阳能电池电路分析22-23
• 1.6 太阳能电池的光伏特性与性能参数23-26
• 1.6.1 短路电流(Isc)24
• 1.6.2 开路电压(Voc)24
• 1.6.3 填充因子(Fill Factor)24-25
• 1.6.4 能量转换效率PCE(Power Conversion Efficiency)25-26
• 第二章 C_(60)和PCBM共掺杂P3HT对于器件性能的影响26-34
• 2.1 引言26-28
• 2.2 器件的制备与测量28-29
• 2.2.1 实验器件的制备过程28-29
• 2.2.2 器件的测量29
• 2.3 结果与分析29-33
• 2.4 小结33-34
• 第三章 退火条件对P3HT:PCBM:C_(60)太阳能电池的影响34-41
• 3.1 引言34-35
• 3.2 器件的制备与测量35-36
• 3.2.1 实验器件的制作过程35-36
• 3.2.2 器件的测量36
• 3.3 结果与分析36-40
• 3.4 小结40-41
• 第四章 有机溶剂对体异质结薄膜微区形貌的影响41-59
• 4.1 引言41-43
• 4.2 器件的制备与测量43-44
• 4.2.1 器件的制备过程43
• 4.2.2 器件的测量43-44
• 4.3 结果与分析44-58
• 4.4 小结58-59
• 第五章 结论59-60
• 参考文献60-63
• 作者简历63-65
• 学位论文数据集65

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