基于新型DPP类聚合物材料厚活性层太阳能电池器件优化方法研究

发布时间：2019-05-30 13:10

【摘要】：太阳能是最清洁的可再生能源之一,发展太阳能光伏产业对解决能源危机和生态环境问题有着非常重要的意义,特别是有机的聚合物太阳能电池(Polymer Solar Cells,PSCs)具有成本低、质轻、易于实现大面积生产以及可柔性制作等特点,使其在光电转化效率和大规模应用等方面具有潜在的优势。PSCs的发展非常迅速,能量转化效率(Power Conversion Efficiency,PCE)已超过了10%,发展PSCs商业化应用迫在眉睫。目前,体异质结(bulk heterojunction,BHJ)PSCs的研究最为广泛,其活性层由聚合物给体与富勒烯衍生物受体混合可以有效促进激子解离。然而该类PSCs活性层通常较薄,一般在100 nm左右时效率最优,薄的活性层不仅影响了材料的吸光效率且其厚度的微小变化对器件效率和稳定性影响很大,不利于采用喷墨打印或卷对卷工艺进行大面积制备生产,也是制约PSCs的PCE的因素之一。本论文结合新型宽光谱、高载流子迁移率的DPP类聚合物材料,针对传统的器件优化方法对活性层厚度的影响进行了研究,期望获得最佳的厚活性层PSCs优化工艺,并且探讨分析了优化工艺在厚的BHJ薄膜中的作用机理。主要研究工作如下:1、利用PBDT-FB-DPP聚合物材料对PSCs器件优化工艺进行了细致的研究,包括给/受体比例、添加剂以及甲醇蒸汽处理工艺对器件光电性能的影响,研究发现,基于PBDT-FB-DPP:PC60BM的PSCs器件最佳活性层厚度约100 nm,PSCs的最佳给受体比例为1:2,DIO的最优浓度为5 vol%,甲醇蒸汽处理最佳时间为30s,此时PCE能达到2.73%。另外,我们还发现添加剂DIO和甲醇蒸汽处理均有改善器件光电性能的作用,但其作用机理不尽相同。2、结合PDPP-T-TT聚合物材料深入研究了溶剂添加剂、混合溶剂、溶剂蒸汽处理(solvent vapor annealing,SVA)以及固体添加剂BPO四个BHJ优化工艺在厚活性层PSCs器件中的应用。我们发现,溶剂添加剂、混合溶剂和溶剂蒸汽处理均能够有效提高器件的光电性能,通过一系列工艺的优化器件PCE可以从1.41%提高到3.47%,Jsc从2.97mA·cm-2提高到了9.90 mA·cm-2,其中溶剂添加剂DIO和CN均可以将最优器件的活性层厚度从约90 nm提高到近300 nm。溶剂蒸汽处理工艺在提高活性层厚度的作用上效果很低,甲醇蒸汽处理可以将最优器件活性层厚度从250 nm提高到270 nm。除此之外我们针对溶剂添加剂和溶剂蒸汽处理的不同工作机理,考察了甲醇蒸汽处理对器件光学、电学性能的影响,讨论了甲醇蒸汽处理提高Jsc的根本原因。3、利用了聚合物PBDT-DFB-DPP作为掺加材料,加入到基于P3HT:PC60BM的二元器件中制备了三元混合结构PSCs,期望通过吸收的互补,拓宽器件的吸收光谱。尽管结果不如预期,但我们对三元混合结构中器件的电学性能进行了分析,制备了单空穴器件,考察了器件的空穴迁移率。实验发现PBDT-DFB-DPP的加入使得基于P3HT:PC60BM器件的空穴迁移率大幅下降,并且PBDT-DFB-DPP的比例越高器件空穴迁移率下降越明显,这是器件光电性能下降的直接原因。
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【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM914.4

【参考文献】