基于新型界面材料的有机太阳电池器件性能研究

发布时间：2020-04-06 11:17

【摘要】：有机太阳电池作为新一代能源技术展示了柔性加工以及可大面积生产的潜能,其向商业化生产转变的关键在于把实验室制备所优化的材料工艺与大面积卷对卷生产技术相结合。然而,大部分的电池界面材料在制备大面积器件时性能严重下降,这是由于大面积器件制备过程中薄膜的均匀性会随着面积增加而下降。为了达到大面积生产的要求,研究者们需要设计高导电率的电池界面材料,可以在厚膜条件下加工而维持较好的器件效果。另一个解决办法是设计出新的界面制备工艺,能在大面积的基底上制备出厚度均匀的薄膜,就可以避免刮涂或者卷对卷大面积生产过程中薄膜均匀性差的问题。本论文分为四个部分,主要研究新型厚膜界面材料以及大面积界面薄膜制备的新工艺。第一部分研究工作设计了静电逐层自组装的新型界面薄膜制备方法,把低成本环境友好的生物质材料应用在有机太阳电池中。壳聚糖自身导电率较低,旋涂方法制备的薄膜不能使壳聚糖发挥最大的阴极修饰性能。静电逐层自组装的方法可以在纳米尺度上精确控制薄膜的厚度以及调控薄膜性质,通过奇偶层数的变化调节分子偶极的指向来有效地调节ITO电极的功函数。将最优层数的自组装薄膜应用在有机太阳电池器件中取得10.18%的光电转换效率(power conversion efficiency,简称PCE),这说明壳聚糖可以作为高效有机光伏器件的界面修饰材料,而静电逐层自组装的制备方法为壳聚糖的应用创造了条件,为以后生物质材料在有机光电器件领域的开发提供一些新的指导。第二部分研究工作通过静电逐层自组装的方法制备规整排列,结构可控的氧化锌(ZnO)薄膜。把阳离子表面活性剂分散的ZnO纳米颗粒和阴离子聚电解质PFCOONa交替沉积,聚电解质不但可以为ZnO纳米颗粒的自组装提供电荷引导,还可以填充ZnO纳米颗粒间的空隙,钝化界面缺陷,自组装ZnO薄膜作为阴极修饰界面层可以与活性层材料充分接触,提高电子抽取性能,最终获得最高9.25%的光电转换效率。研究表明带电纳米颗粒同样适用于静电自组装的薄膜制备方法,可以快速制备有机太阳电池阴极修饰界面。第三部分研究工作制备了一种厚度不敏感的阴极界面修饰材料,把碱金属盐Cs_2CO_3掺杂到水醇溶非共轭聚合物poly[(9,9-bis(6′-((N,N-diethyl)-N-ethylammonium)-hexyl)-2,7-fluorene)-alt-1,4-diphenylsulfide]-dibromide(PF6NPSBr)中,这种掺杂界面材料用于有机太阳电池器件可以使PCE从8.73%提高到9.45%。研究发现Cs_2CO_3的引入可以改变电子传输层的表面形貌,与金属电极形成更好的接触,同时掺杂后的共混薄膜可以有效减小银电极上的功函数,使银电极与活性层之间的能级更加匹配,促进电子从活性层到电极的抽取与传输。研究还发现PF6NPSBr:Cs_2CO_3掺杂薄膜具有良好的电子迁移率以及透光性能,这有助于制备高效透明的厚膜阴极界面修饰层,在厚膜活性层体系中获得了10.78%的最高转换效率以及全厚膜器件9.64%的转换效率,这表明Cs_2CO_3掺杂透明导电有机薄膜是制备厚度不敏感的高效阴极界面材料的有效手段。第四部分研究工作基于纳米球模板印刷法制备的二维有序结构,既可以用于有机太阳电池的透明电极,还可以加入到界面层中,利用等离子共振效应增强活性层的光吸收。聚苯乙烯(polystyrene,简称PS)纳米球通过气液界面自组装的方法可以制备二维单层的紧密堆积结构,利用模板印刷技术制备多孔金属薄膜。通过等离子刻蚀的方法改变PS纳米球尺寸以及改变PS球的排列周期等方法都可以调整多孔金属薄膜表面覆盖度,从而精确控制薄膜的导电性和透光性。最后把这种方法制备的多孔金属薄膜用在有机太阳电池的透明电极上,取得了不错的器件性能。用PS纳米球模板印刷法制备的金属二维阵列,还可以用于控制金属纳米颗粒的等离子共振效应,如果用在有机太阳电池的界面层中将可以增强活性层的吸光性能,这也是有机电池界面修饰层的一个有效功能。金属二维阵列作为新型的界面层加入到有机电池器件的研究需要更多后续的工作来探索其中的原理和功能。
【图文】：

太阳电池,效率,电池,转换效率

华南理工大学博士学位论文材料来源，在前两代的光伏电池中占主导地位。从图 1-1 美国国家可再生能源实验室发布的各类电池认证效率图中可以看出，单晶硅的电池转换效率可以达到 26%，多晶硅为22%左右。虽然晶体硅在市场中占有绝对的份额，不过它也有一些不可避免的缺点，制备成本高，吸光系数低，必须做得很厚，而且材料很脆容易碎，因此科学家们一直致力于发展更加高效低成本的光伏电池技术。第三代光伏技术的发展方向是薄膜太阳电池，能减少材料的用量，降低制备成本，而且运输和安装方便。无机薄膜太阳电池，如碲化镉（CdTe）电池，铜铟镓硒（CIGS）电池的转换效率也能达到 22%，而砷化镓（GaAs）的单节电池更是达到了将近 30%的转换效率。尽管这几个无机薄膜电池的转换效率比非晶硅电池的效率高，但是由于材料的局限性使得他们并不能取代晶体硅电池，如镉、砷有毒，会对环境造成严重污染；镓、铟和硒是比较稀有的元素，比较难获取；而砷化镓的生产使用磊晶制备技术，制造成本高昂，因而这些电池并没有得到广泛的应用。

材料,电子受体,给体,纳米晶体

图 1-2 常见的给体和受体材料[32]相对于多种多样的给体材料，受体材料的发展要滞后一点。到目前为止，富勒烯及生物由于极高的电荷迁移率和电子吸附能力，使其成为最广泛使用的电子受体材料25, 33]。比如，C60、C70作为受体材料运用在小分子有机太阳电池器件里，可以在活共混材料中形成分散又连续的相，从而形成有效的电子传输通道，有助于电子的抽 34]。为了使富勒烯材料更加适用于溶液加工的方法，在富勒烯分子上连接功能性的基团，，不仅可以提高材料在有机溶剂的溶解性，还可以调节与给体材料的共混效果最优的给受体相分离。最典型的例子就是[6,6]-Phenyl-C61-butyric acid methyl estBM)[35]和[6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester (PC71BM)[17, 36-37]，很多高效的电系都是基于这两个富勒烯衍生物受体。无机半导体纳米晶体有较高的电子迁移率以被用作电子受体，如 CdSe[38-39]，ZnO[40-41]，Huynh 等人报道了基于 P3HT：CdS机电池，转换效率接近 2%[38]，纳米晶体作为电子受体开始受到关注。另外，一些聚合物由于良好的光学吸收也可以作为电子受体材料，但是由于迁移率低限制了电
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34;TM914.4

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