有机光伏器件—高效聚合物太阳电池和近红外光电探测器

【摘要】：有机光伏器件由于其具有轻便、低成本以及可以溶液加工等优点而受到广泛关注。然而，可用于溶液加工的有机光伏器件—聚合物太阳电池以及聚合物近红外光电探测器在能量转换效率以及器件稳定性等方面，与传统的无机光伏电器件相比还处于劣势。鉴于此，本论文的主要工作就是基于可溶液加工的聚合物材料体系,对光伏器件制备工艺进行优化设计，提高聚合物太阳电池以及近红外光电探测器的性能，探索实现溶液加工工艺制备高性能的聚合物光伏器件的新途径。 我们首先研究了基于萘[1,2-c:5,6-c]二[1,2,5]噻二唑（萘二并噻二唑）的吸电子基团的“电子给体-电子受体”（donor-acceptor，D-A）型共轭聚合物(PBDT-DTNT)作为给体材料的太阳电池性能。由于萘二并噻二唑的强吸电子能力，聚合物PBDT-DTNT表现出优异的光电性能。我们主要从薄膜的纳米尺寸形貌对基于该聚合物的太阳电池性能进行优化研究，我们发现，热退火处理、溶剂添加剂等处理方法，能够提高基于该聚合物的太阳电池的性能，获得较高的能量转化效率，我们的研究和发现表明PBDT-DTNT是一种非常有潜力的电子给体材料。同时，我们的研究结果对于优化基于萘二并噻二唑的吸电子基团的一系列共轭聚合物作为给体材料的太阳电池器件有着重要的参考作用。 在以上的研究基础之上，我们仍然采用PBDT-DTNT:PC71BM材料体系作为活性层材料，并采用可交联共轭聚合物PFN-OX作为电子抽取层，制备倒装聚合物太阳电池，系统研究了活性层薄膜的厚度与聚合物太阳电池性能的关系。通过湿法成膜，我们制备出一系列具有不同活性层厚度的的器件，厚度范围从85nm到1300nm。当活性层厚度为280nm时，得到最高的能量转换效率8.62%，当厚度在1000nm左右时，器件的能量转化效率仍有7.24%。我们发现，随着活性层厚度的增加，载流子的迁移率仍然保持较高的水平。通过掠入射小角X射线散射（GISAXS）以及掠入射广角X射线散射(GIWAXS)对不同厚度的活性层薄膜微观结构进行分析得出，厚度的增加并没有改变共混体系中聚合物链的高度有序性，意味着膜厚的增加并没有影响空穴在聚合物主链之间沿着聚合物骨架的传输，这是基于该材料体系的聚合物太阳电池在如此厚膜的情况下还能保持高效率的原因所在。我们的结果表明该材料体系在卷对卷（R2R，roll to roll）生产工艺上有非常大的应用潜力。 第三部分工作中，我们基于一种新型的窄带隙共轭聚合物PTZBTTT-BDT，制备出了高性能的聚合物近红外光电探测器。鉴于水醇溶的共轭聚合物PFN能够提高聚合物太阳电池的各项性能，特别是能够降低器件的暗电流，我们将PFN应用于该聚合物近红外光电探测器的阴极修饰，在室温工作条件下，该探测器的光谱响应范围能够从紫外区域延伸至近红外区域（400nm-1100nm）。在400nm到950nm范围内，探测率高达1013cm.Hz1/2/W，在950nm到1100nm范围内，探测率高于1010cm.Hz1/2/W。我们发现，加有PFN阴极修饰层的光电探测器展现出更好的二极管特性，在反向偏压下，器件的暗电流得到了很好的抑制，从而降低了因暗电流带来的噪声，因此使得加有PFN阴极修饰层的光电探测器展现出与无机硅探测器可比拟的优异性能。 基于以上的研究工作，我们仍然采用以上近红外材料PTZBTTT-BDT作为活性层的给体材料，并采用可交联共轭聚合物PFN-OX作为电子抽取层，来制备倒装聚合物近红外光电探测器，同时采用传统的阴极修饰材料ZnO作为电子抽取层制备探测器进行对比研究。我们发现，在室温零偏压下，基于PFN-OX电子抽取层的光电探测器对800nm波长的近红外光的光响应率可达116mA/W，相应的探测率达到1.02×1013cm Hz1/2/W。而采用传统的电子抽取层ZnO的倒装探测器的探测率则为1.71×1012cm Hz1/2/W，比基于PFN-OX电子抽取层的光电探测器的探测率几乎小一个数量级，这一结果证明，PFN-OX薄膜相比ZnO薄膜具有更好的阴极修饰作用。同时，我们的实验结果表明，采用PFN-OX修饰ITO阴极制备倒装聚合物光电探测器，是获得高性能的倒装聚合物光电探测器的一条十分有效的途径。 【关键词】：聚合物光伏器件 太阳电池 近红外光电探测器 器件性能 器件结构 界面修饰
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4;TN215
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-34
• 1.1 引言12-13
• 1.2 聚合物太阳电池与近红外光电探测器的发展概况13-15
• 1.3 聚合物太阳电池与光电探测器的原理15-23
• 1.3.1 聚合物太阳电池的工作原理15-17
• 1.3.2 聚合物太阳电池的伏安特性曲线和性能参数17-20
• 1.3.3 聚合物太阳电池工作过程中的能量损耗机制20-22
• 1.3.4 聚合物光电探测器的主要性能参数22-23
• 1.4 聚合物太阳电池与光电探测器的器件性能优化方法23-31
• 1.4.1 活性层薄膜微观形貌调控23-28
• 1.4.2 活性层与电极之间的界面修饰28-31
• 1.5 本论文的研究内容与创新之处31-34
• 第二章 聚合物太阳电池与近红外光电探测器的器件制备和测试34-42
• 2.1 器件制备34-37
• 2.1.1 器件制备流程34-36
• 2.1.2 器件制备所需仪器设备36-37
• 2.2 聚合物太阳电池与近红外光电探测器的性能测试37-40
• 2.2.1 太阳模拟光源标准37-38
• 2.2.2 电池伏安特性测试38
• 2.2.3 光电灵敏度以及外量子效率测试38-39
• 2.2.4 单色光照射下的探测器伏安特性测试39-40
• 2.3 聚合物薄膜相关特性测试40-41
• 2.3.1 薄膜的吸收光谱测试40-41
• 2.3.2 薄膜的表面形貌测试41
• 2.3.3 薄膜的内部结构特征测试41
• 2.4 本章小结41-42
• 第三章 基于萘二并噻二唑的聚合物给体材料的太阳电池性能研究42-56
• 3.1 引言42-44
• 3.2 聚合物 PBDT-DTNT 的光电性能44-45
• 3.3 基于 PBDT-DTNT 的太阳电池器件光伏性能研究45-54
• 3.3.1 热退火处理对器件性能的影响45-50
• 3.3.2 氯萘作为溶剂添加剂对器件性能的影响50-54
• 3.4 本章小结54-56
• 第四章 具有超厚活性层的高效倒装聚合物太阳电池性能研究56-78
• 4.1 引言56-58
• 4.2 PFN-OX 的抗溶剂性58-61
• 4.3 溶剂添加剂对倒装器件性能的影响61-66
• 4.4 具有不同厚度的活性层的倒装器件性能研究66-75
• 4.5 倒装器件的稳定性75-76
• 4.6 本章小结76-78
• 第五章 基于一种新型窄带隙共轭聚合物的近红外光电探测器性能研究78-90
• 5.1 引言78-79
• 5.2 近红外光电探测器的制备79-82
• 5.2.1 实验所用聚合物材料79-82
• 5.2.2 器件结构82
• 5.3 近红外光电探测器的性能研究82-84
• 5.4 PFN 作为探测器的阴极修饰降低暗电流噪声84-87
• 5.5 MoO3 作为探测器的阳极修饰提高器件稳定性87-89
• 5.6 本章小结89-90
• 第六章 可交联的共轭聚合物作为电子抽取层的倒装聚合物近红外光电探测器的性能研究90-102
• 6.1 引言90-91
• 6.2 倒装近红外光电探测器的制备91-92
• 6.2.1 实验所用材料91
• 6.2.2 器件制备与表征91-92
• 6.3 不同电子抽取层的倒装近红外光电探测器的性能研究92-101
• 6.4 本章小结101-102
• 结论102-104
• 参考文献104-120
• 攻读博士学位期间取得的研究成果120-126
• 致谢126-127
• 附件127

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