有机太阳能电池界面过程的研究

【摘要】：有机太阳能电池由于成本低、轻薄柔软、便于携带等优点,成为目前研究的热点。对界面过程的研究有利于提高有机太阳能电池的光电转化效率。如何通过界面修饰和分析界面过程提高有机太阳能电池的光电转化效率,成为研究者们关注的焦点。本论文从有机太阳能电池阳极与功能层界面的研究、界面电子和激子相互作用、界面激子复合过程以及对电极与电解液界面的研究等四个方面出发,讨论了有机太阳能电池的界面过程。本论文主要分为以下几部分： 第一章综述简要概述了太阳能电池研究背景和意义、太阳能电池的分类。详细介绍了有机太阳能电池研究现状,主要从有机太阳能电池的材料选择、结构的研究、缓冲层三个方面进行了论述。指出了目前有机太阳能电池界面过程产生光电流的研究所面临的挑战,最后介绍了本论文的提纲以及研究目的和创新之处。 第二章有机太阳能电池的制备以及测量本章主要介绍了本实验室有机太阳能电池的制备过程以及主要的测量手段。在制备有机太阳能电池之前需对基片进行清洗及前期处理。器件生长过程中是在高真空制样系统中采用分子束外延进行的。有机太阳能电池的光电性能参数主要用Keithley2400和太阳光模拟器来测量电压-电流曲线,通过单色仪系统来测量外量子效率,通过纳秒激光器来测量瞬态的光电压和光电流,有机材料的吸收谱是利用紫外可见分光光度计来测量得到的。 第三章有机太阳能电池阳极和功能层界面的研究我们在高真空条件下制备结构为ITO/NPB/C60/Alq3/Al的单层有机太阳能电池。ITO与C60直接接触时,C60中的电子和空穴会退激发到ITO导带,会导致界面复合,不利于界面激子拆分。当在ITO与C60之间加入NPB后,C60中的电子无法越过NPB的最低未占有轨道(势垒)。因此在内建电场的作用下,电子会被铝电极收集,而空穴会有效地被ITO电极收集。我们首次报道了加入NPB后能有效的抑制界面激子的复合,从而增加了界面激子拆分效率,使得单层有机太能电池的光电转化效率提高到了0.414%。 第四章给体／受体界面电子和激子相互作用产生光电流的研究有机太阳能电池中界面激子拆分可以产生光电流,因此在有机太阳能电池中界面激子和自由载流子是共存的。传统有机太阳能电池的结构是：ITO/CuPc/C60/Alq3/Al,一般认为其光电流产生来源于界面激子拆分。然而我们发现了界面电子和激子的相互作用也可以产生光电流。我们设计并制备了结构为ITO/CuPc/C60/MoO3/Al的有机太阳能电池的器件,通过对能级图的分析得出到达CuPc和C60的界面的电子与CuPc中的激子相互作用产生了光电流。当加入550纳米的长波通滤光片之后,与传统的器件相比其电流几乎为0,说明了存在着位移电流,而位移电流的产生来源于CuPc和C60界面激子的拆分。通过分析I-V曲线,瞬态电压和EQE等得到了ITO/CuPc/C60/MoO3/Al器件光电流的产生不同于传统有机电池的结论,它的光电流来源于电子-激子的相互作用。我们首次在有机太阳能电池中发现了电子-激子的相互作用可以产生光电流。 第五章在N-N型有机太阳能电池中界面激子复合的研究通常认为在有机太阳能电池中界面激子拆分是有利的,而界面激子复合对光电转化效率的提高是不利的。因此有效调控界面激子的拆分和复合对提高有机太阳能电池的效率起到关键作用。我们制备了结构为F16ZnPc/C60的有机太阳能电池,通过改变内建电场的方向,有效调控了界面激子的拆分和复合。通过光照强度与电功率的线性关系验证了激子在F16ZnPc/C60界面存在激子的复合作用,而且激子的复合也可以产生光电流。说明在有机太阳能电池中激子的拆分和复合是同时存在的。我们发现了在由两种N型材料(F16ZnPc和C60)构成的有机太阳能电池中,可以通过内建电场来调节激子的拆分和复合几率。 第六章石墨烯量子点掺杂聚吡咯对在电解液界面处催化性能提高的研究我们通过电化学沉积制备了石墨烯量子点掺杂聚吡咯并用作染料敏化太阳能电池的对电极。通过分析SEM图可以看出石墨烯量子点掺杂聚吡咯有多孔结构,与未掺杂样品相比其催化面积大大增加。通过分析循环伏安法和阻抗曲线得出在对电极与电解液界面处电荷的传输率有效提高了,催化性能也被大幅提高。其中10%石墨烯量子点掺杂聚吡咯是最优化的,使得染料敏化太阳能电池的效率达到了5.27%,比不掺杂的聚吡咯做对电极的电池的性能提高了20%,与Pt对电极电池的6.02%效率相当。石墨烯量子点掺杂聚吡咯是一种潜在的替代贵金属铂对电极的材料。 【关键词】：有机太阳能电池 染料敏化太阳能电池 界面过程 激子拆分 激子复合 电子-激子相互作用
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 目录4-7
• 摘要7-10
• Abstract10-13
• 第一章 综述13-41
• 1.1 太阳能电池概述13-14
• 1.2 太阳能电池的分类14-25
• 1.2.1 硅太阳能电池14-18
• 1.2.2 无机化合物薄膜太阳能电池18-20
• 1.2.3 有机太阳能电池20-25
• 1.3 有机太阳能电池的研究进展25-33
• 1.3.1 有机半导体材料的研究26-29
• 1.3.2 有机太阳能电池的结构29-33
• 1.4 有机太阳能电池界面修饰33-35
• 1.5 有机太阳能电界面过程研究的目的及意义35-36
• 1.6 本论文的研究内容36-38
• 1.7 本论文的创新点38-41
• 第二章 有机太阳能电池的制备及测量41-53
• 2.1 有机太阳能电池的制备41-47
• 2.1.1 基片的清洗及前期处理41-43
• 2.1.2 有机分子束外延生长活性层43-44
• 2.1.3 真空系统44-45
• 2.1.4 有机层和金属阴极的生长45-46
• 2.1.5 原位监测系统46-47
• 2.2 有机太阳能电池光电性能等参数的测量47-53
• 2.2.1 I-V曲线测量系统47-48
• 2.2.2 量子效率测量系统48-50
• 2.2.3 纳秒瞬态光电压及光电流测量50
• 2.2.4 紫外-可见光吸收谱测量50-53
• 第三章 有机太阳能电池阳极和功能层界面的研究53-61
• 3.1 引言53-54
• 3.2 实验过程54-55
• 3.3 结果与讨论55-59
• 3.3.1 在ITO/C_(60)界面加入NPB对有机太阳能电池性能的影响55-57
• 3.3.2 NPB在有机太阳能电池中的作用57-59
• 3.4 本章小结59-61
• 第四章 给体/受体界面电子和激子相互作用产生光电流的研究61-71
• 4.1 引言61-62
• 4.2 实验62
• 4.3 结果与讨论62-70
• 4.3.1 基于CuPc/C_(60)双层结构有机太阳能电池的光电特性62-67
• 4.3.2 激子在CuPc/C_(60)界面过程对光电流的影响67-70
• 4.4 本章小结70-71
• 第五章 在N-N型有机太阳能电池中界面激子复合的研究71-79
• 5.1 引言71-72
• 5.2 实验72
• 5.3 结果与讨论72-78
• 5.3.1 N-N型有机太阳能电池的界面激子过程对器件性能的影响72-76
• 5.3.2 界面激子拆分和复合共存76-78
• 5.4 本章小结78-79
• 第六章 石墨烯量子点掺杂聚吡咯对在电解液界面处催化性能提高的研究79-87
• 6.1 引言79-80
• 6.2 实验80-81
• 6.3 结果与讨论81-86
• 6.3.1 石墨烯量子点掺杂聚吡咯的对电极界面表征81-85
• 6.3.2 对电极界面对染料敏化太阳能性能的影响85-86
• 6.4 本章小结86-87
• 结论与展望87-89
• 参考文献89-109
• 攻读博士学位期间的科研情况109-113
• 致谢113-114

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