聚合物光伏电池的性能优化及稳定性研究

论文摘要

相比于传统无机光伏电池,聚合物光伏电池具有廉价、无毒、可实现大面积柔性制备等显著优势。然而,较低的光电转换效率和较差的寿命及稳定性严重制约了其商业化进程。同时在简化器件制备工艺、降低生产成本等方面也存在许多问题需要解决。本论文针对提高有机光伏电池的光电转换效率及稳定性进行选题,研究了苯甲酸锂新型阴极修饰层提高有机光伏电池的性能以及利用添加剂调控活性层的微观形貌及其形貌稳定性两方面工作,具体内容如下:1、研究了真空热蒸镀法制备基于苯甲酸锂（C6H5COOLi）为阴极修饰层的有机光伏器件。考察了C6H5COOLi阴极修饰层的厚度对器件性能及存储稳定性的影响。结果表明:C6H5COOLi阴极修饰层厚度为1nm时的器件性能得到最大优化,光电转换效率（PCE）达到（3.41+ 0.07）%,相比于不加任何修饰层的器件,其稳定性提高了将近1倍。C6H5COOLi热沉积过程分解释放出具有低功函数的Li,减小了活性层和阴极之间的界面电阻,增强了内建电场有利于电荷的传输。此外,C6H5COOLi阴极修饰层还能够作为有机活性层的保护层,起到阻挡空气中的水和氧的作用,减缓了有机光伏电池的衰减趋势。2、研究了利用溶液旋涂法制备基于苯甲酸锂（C6H5COOLi）为阴极修饰层的有机光伏器件。考察了旋涂不同浓度的C6H5COOLi乙醇溶液对器件性能的影响。结果表明:可以在较宽的浓度范围内（0.2～0.8 mg/ml）通过旋涂法制备C6H5COOLi阴极修饰层以提高器件的性能,特别是对填充因子（FF）的改善尤为显著。器件的PCE最高可达（3.84+0.16）%。溶液旋涂法制备C6H5COOLi缓冲层,既能够降低活性层和阴极之间界面势垒,形成欧姆接触,减小器件串联电阻,同时还能有效地增大器件的并联电阻,降低漏电程度。此外,旋涂法制备阴极修饰层简化了光伏器件的制备工艺,从一定程度上可以降低有机聚合物光伏电池的生产成本。3、研究了以过氧化二叔丁烷（DTBP）作为P3HT:PCBM活性层添加剂的三组分有机光伏电池。考察了DTBP的用量和热处理温度及时长对电池性能的影响。结果表明:加入0.5wt%的DTBP ,经过20分钟热处理后,器件性能得到极大改善,Jsc =（10.44+0.13） mA/cm2, FF=（57.61+1.56） %, Voc =（0.63+0.00） V, PCE =（3.82+0.11） %。与参比器件相比,Jsc、FF和PCE分别提高了10%、26%和33%。场效应测试结果表明:添加剂的加入使得器件的迁移率提高了1-2个数量级,显著提高了器件的填充因子FF,进而提高了电池的光电转换效率。Uv-vis、PL、XRD、AFM以及光学显微镜分析表明,器件性能得以改善是由于热处理过程中DTBP引发P3HT烷基侧链末端发生适度交联,使得活性层形貌变得更加粗糙,增大了有效的D/A接触面积,有利于激子解离和电荷传输。此外,热交联还可以“固定”住优化后的P3HT:PCBM微观形貌,阻碍了大尺度相分离的形成,从而提高了聚合物光伏电池的形貌稳定性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 有机聚合物光伏电池的器件结构及工作原理
• 1.2.1 器件结构
• 1.2.2 工作原理
• 1.3 有机聚合物光伏电池的性能参数及研究现状
• 1.3.1 表征电池性能的几个重要参数
• 1.3.2 聚合物光伏电池的研究现状及存在的问题
• 1.4 本论文的设计思路及主要内容
• 第二章 真空热蒸镀苯甲酸锂作为阴极修饰层的有机光伏电池
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 药品与材料
• 2.2.2 仪器与设备
• 2.2.3 器件制备工艺
• 2.2.4 器件性能测试
• 2.3 实验结果与讨论
• 2.3.1 光伏器件的I-V 特性曲线
• 2.3.2 器件的串并联电阻的计算及分析
• 2.3.3 苯甲酸锂阴极修饰层对光伏器件性能的影响
• 2.3.4 苯甲酸锂阴极修饰层对器件稳定性的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 溶液可加工苯甲酸锂作为阴极修饰层的有机光伏电池
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 药品与材料
• 3.2.2 仪器与设备
• 3.2.3 器件制备工艺
• 3.2.4 器件性能测试
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 光伏器件的I-V 特性曲线
• 3.3.2 缓冲层溶液的浓度对器件性能的影响
• 3.3.3 不同的阴极修饰层对器件的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 以过氧化二叔丁烷作为活性层添加剂的三组分有机光伏电池
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 药品与材料
• 4.2.2 仪器与设备
• 4.2.3 器件制备工艺
• 4.2.4 器件性能测试
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 光照条件下器件的I-V 特性曲线
• 4.3.2 原子力显微镜微观形貌分析
• 4.3.3 活性层薄膜光谱分析
• 4.3.4 器件迁移率测试
• 4.3.5 热交联对器件稳定性的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 全文总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢