溶液法复合氧化物的合成及在有机太阳能电池中的应用研究

发布时间：2020-03-29 07:06

【摘要】：有机太阳能电池拥有轻便的重量、制备简单、低廉的成本、可制备成柔性器件等优点而得到好多研究者的关注。有机太阳能电池可以通过以下几个方面来进行改善:通过合理地选择并使用添加剂、优化器件的结构、合成更佳的的给、受体材料、修饰界面之间的能级等来改善。界面传输层(包括空穴传输层及电子传输层)作为有机太阳能电池中一个重要的组成部分,它的存在有利于有机活性层和电极之间载流子有效地传输,减少光吸收的损失。界面层材料主要包括有机界面修饰材料、金属氧化物等。NiO、V_2O_5、MoO_3、WO_3等金属氧化物都被广泛地用作阳极界面材料,但这些氧化物主要通过真空沉积技术制备,这与有机太阳能电池的低成本优点相违背。而用溶液法制备复合金属氧化物薄膜,操作简单并且成本低,同时复合金属氧化物可以降低禁带宽度,可以提供太阳能电池的光电性能。基于以上论点,本论文主要研究了用溶液法制备复合金属氧化物WO_3-MoO_3、MoO_3-V_2O_5、V_2O_5-CuO薄膜分别作为空穴传输层(hole transporting layer,HTL,又称作阳极界面层)材料对有机太阳能电池的影响。论文的内容主要包括为以下3个部分:1.以偏钨酸铵((NH_4)_6H_2W_(12)O_(40))和钼酸铵((NH_4)_6Mo_7O_(24))为原料合成了复合金属氧化物WO_3-MoO_3,并将其作为阳极界面材料。分别对反应物原料的质量比、前驱体浓度、旋涂速度与时间、处理阳极缓冲材料的方式进行研究。当用7:3(质量比,w/w)的偏钨酸铵和钼酸铵,制备成浓度为1 mmol/l的溶液、以3000 rpm,30 s进行旋涂时,其电池的功率转化效率达到3.76%。2.以乙酰丙酮钼(C_(10)H_(14)MoO_6)和乙酰丙酮钒(C_(15)H_(21)O_6V)为原料合成复合金属氧化物MoO_3-V_2O_5,作为阳极界面材料。当反应物原料的质量比为9:1,制备成浓度为5 mg/ml的溶液、以4000 rpm,40 s进行旋涂时,其功率转化效率达到4.05%。3.以乙酰丙酮钒(C_(15)H_(21)O_6V)和乙酰丙酮铜(C_(10)H_(14)CuO_4)为原料合成复合金属氧化物V_2O_5-CuO,同样作为阳极界面材料。当反应物原料的质量比为7:3制备成浓度为15 mg/ml的溶液、以3500 rpm,35 s进行旋涂时,其功率转化效率达到4.21%。复合金属氧化物V_2O_5-CuO在聚合物太阳能电池中作为空穴传输层,有一定的应用前景。结果表明,复合金属氧化物WO_3-MoO_3、MoO_3-V_2O_5、V_2O_5-CuO作为空穴传输层时,都有利于有机活性层和电极之间电流有效地传输,减少光吸收的损失。
【图文】：

这类电池的本质是将给体和受体成分紧密地混合成一个体积，使每个给体-受体界面的距离小于每个吸收位点的激子扩散长度，具体结构如图 1.1（c）所示。在给-受体（Donor-Acceptor，D-A）概念方面，本体异质结器件类似于双层器件，但它的电荷分离发生的界面面积却大幅度增加。由于界面分散在整个块体中，激子不会因扩散长度太小而损失，因为理想情况下，所有激子都将在其寿命内被解离。在这个概念中，电荷也在不同的相中被分开，因此复合在很大程度上被减少，光电流通常与光强度呈线性[19-21]或略次线性[22-24]。因此，，本体异质结器件对混合物中的纳米尺度形貌更为敏感。以 P3HT:PCBM 共混物作为活性层的器件，在AM 1.5G 的光照下，其光电转换效率在 3.5%以上[25]。1.3.4 叠层有机太阳能电池该电池是将两个或多个太阳能电池通过串联的方式，重新组成一个新的器件，是扩散双层本体异质结器件，其结构如图 1.1（d）所示。目前由南开大学陈永胜教授带领的团队制备的叠层太阳能电池，其效率已经突破 17%[10]。但叠层太阳能器件最大的缺陷是制备工艺比较复杂，极大地制约了工业化的应用。

形成激子（束缚电子-空穴对）。当活性层被太阳光照射时，合物（波长在其吸收范围内）吸收，产生激子（电子空穴对）2）激子扩散浓度的差异，激子将在活性层中扩散。在扩散过程中，一些激将能量释放到周围（非辐射复合），一些激子可以重新组合并合，这对 PSC 是没用的）；3）载流子分离给、受体之间的最低未占分子轨道（LUMO）偏移，两个电极成的强内部电场，当电子从给体（D）向受体（A）转移时，体和受体之间的界面处解离为自由电子和空穴。如果激子也是体相产生的，自由电子和空穴也可以通过空穴从 A 转移到 D 4）载流子传输部电势的作用下，光生电子和空穴传输的方向分别为负极和正5）载流子收集和负极分别收到来自活性层/电极界面上的空穴和电子。
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB33;TM914.4

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本文编号：2605644