有机光伏器件的界面电子结构及其电子复合与产生过程的研究

【摘要】：目前，有机太阳能电池作为利用太阳能的一种有效方法得到了充足的研究与发展，但在商业化应用的道路上仍面临着能量转换效率较低、寿命有限等困难。光敏材料的吸收峰较窄是导致其转换效率低的一个主要原因。叠层有机太阳能电池可以把不同吸光范围的光敏材料做成的器件串联在一起，从而拓宽了器件的吸收光谱，得到较高的转换效率。但是在器件串联的过程中，连接层的选择对器件性能起到了至关重要的作用。此连接层要求具有较高的透光率、与器件制作过程工艺上的兼容性以及与子器件单元适当的能级匹配等。 在有机光电和光伏器件中，通常电极功函数与有机层的电荷传输能级并不严格匹配，因此有机层和电极之间电荷的注入和提取效率关乎器件的性能。广为使用的方法是在电极和有机层之间加入电荷传输层来减小电荷的注入或提取势垒，使电荷更容易被注入或导出，从而提高器件性能。 本论文主要通过光电子能谱（XPS和UPS）来获得叠层太阳能电池的连接层以及电极与电荷传输层之间的电子结构和能级排列，并通过相关的器件性能来分析电荷的复合与产生过程。主要的工作包括以下内容： 1.基于Mg:Bphen/MoO_3/CuPc连接层的叠层有机光伏器件。在已知其电子结构及能级排列符合连接层对于能级匹配要求的情况下制备叠层器件，得到几乎无电压损失的叠层太阳能电池。通过改变连接层结构研究了各层在叠层器件中的工作原理。 2.基于HAT-CN这种深能级结构电子受体材料的电荷提取。HAT-CN的深能级特性及其强烈的吸收电子能力使得它与给体材料的HOMO能级之间的带隙很小，这样的界面能级结构可以用来进行电荷的诸如或者提取。我们测量了聚合物太阳能电池中的光敏层材料与HAT-CN之间的界面电子结构，通过分析我们认为HAT-CN可以用在聚合物太阳能电池中作空穴提取层来制备较高效率的器件。 3. NPB是有机光电器件中比较常用的空穴传输材料，我们测量了它与聚合物太阳能电池光敏层之间的界面能级发展情况，研究其作为聚合物太阳能电池中空穴传输层的可能性。实验结果并没有发现有利于空穴从光敏层中提取与传输的能级弯曲等。 4.倒置结构的聚合物太阳能电池中电荷传输层材料。使用碱金属化和物对有机材料进行掺杂可以显著的改善有机物的电学特性。我们使用Cs2_CO_3对Alq3进行不同浓度的掺杂，通过优化掺杂浓度使其作为有效的电子传输层可以用在倒置的聚合物太阳能电池中。 【关键词】：叠层有机太阳能电池 HAT-CN 空穴注入 空穴提取 界面电子结构 Cs2_CO_3掺杂
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-24
• 1.1 引言10-11
• 1.2 有机光伏器件的发展历程11-14
• 1.2.1 有机光伏器件的发展历史11-14
• 1.2.2 有机光伏的产业化现状14
• 1.3 有机光伏器件的工作原理14-21
• 1.3.1 光电转换原理及模型14-15
• 1.3.2 有机光伏器件的结构15-18
• 1.3.3 有机光伏器件的主要材料18-19
• 1.3.4 有机光伏器件的制备方法19-20
• 1.3.5 有机光伏器件的表征参数20-21
• 1.4 有机光伏器件目前的主要挑战及可能的解决方法21-22
• 1.5 本论文的主要工作22
• 1.6 参考文献22-24
• 第二章 有机半导体界面电子结构及实验室技术24-30
• 2.1 有机半导体能级理论24-25
• 2.1.1 界面电子结构的基本理论24
• 2.1.2 有机材料界面的能级弯曲24-25
• 2.2 实验技术25-29
• 2.2.1 X 射线光电子能谱和紫外光电子能谱介绍25-26
• 2.2.2 真空沉积设备其器件测试系统介绍26-28
• 2.2.3 样品制备及光电子能谱测试28
• 2.2.4 器件制备及性能测试28-29
• 2.3 参考文献29-30
• 第三章 叠层有机光伏器件内部连接层电子结构及器件性能30-42
• 3.1 叠层有机光伏器件的发展和面临的问题30-33
• 3.2 叠层器件内部连接层的结构和材料33-34
• 3.3 Mg:Bphen/MoO_3/CuPc 连接层的界面电子结构34-36
• 3.4 基于 Mg:Bphen/MoO_3/CuPc 连接层的叠层有机光伏器件性能分析36-39
• 3.4.1 伏安特性曲线36-38
• 3.4.2 外量子效率38-39
• 3.5 小结39
• 3.6 参考文献39-42
• 第四章 HAT-CN 空穴提取层的界面电子结构研究42-53
• 4.1 引言42-43
• 4.2 光敏层/HAT-CN 界面电子结构43-49
• 4.2.1 P3HT:PCBM/HAT-CN 界面43-45
• 4.2.2 P3HT/HAT-CN 界面45-47
• 4.2.3 PCBM/HAT-CN 界面47-49
• 4.3 P3HT 和 PCBM 与 HAT-CN 的界面能级排列49-51
• 4.4 小结51
• 4.5 参考文献51-53
• 第五章 NPB 空穴传输层与 P3HT:PCBM 的界面电子结构53-59
• 5.1 引言53-54
• 5.2 NPB/P3HT:PCBM 的界面电子结构54-56
• 5.3 NPB/P3HT:PCBM 的界面能级排列56-57
• 5.4 小结57
• 5.5 参考文献57-59
• 第六章 有机光伏器件中电荷传输材料的能级结构研究59-66
• 6.1 引言59
• 6.2 Cs2_CO_3掺杂 Alq3作为电子传输层59-63
• 6.2.1 Cs2_CO_3热蒸发沉积物的成分59-60
• 6.2.2 不同掺杂浓度的 Alq3的能级结构60-63
• 6.3 小结63-64
• 6.4 参考文献64-66
• 第七章 全文总结与展望66-68
• 硕士期间发表论文68-69
• 致谢69-70

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