非富勒烯有机太阳电池的器件特性研究

发布时间：2020-07-10 08:48

【摘要】：非富勒烯有机太阳电池凭借设计、合成便利性,强光学吸收和最小化能量损失等优点,成为有机太阳电池的研究热点。在突破富勒烯太阳电池效率瓶颈并提高能量转换效率方面,被寄予厚望。目前,非富勒烯作为受体的器件表现已经超越富勒烯衍生物,能量转换效率不断攀升。然而,研究的主要力量在新材料的设计、开发,对非富勒烯受体区别于富勒烯受体的特性缺乏深入的了解。对非富勒烯太阳电池器件物理的研究,有助于系统的理解新材料的新特性,反过来指导器件的优化和材料的设计。常用富勒烯衍生物受体合成成本高,限制了有机太阳电池的大规模推广。本论文的第二章讨论采用无需经过高成本提纯、分离的PC_(61)BM/PC_(71)BM天然混合物作为受体,相对纯富勒烯衍生物受体,能够大幅度缩减合成成本。PCBM混合物受体的器件表现超过了纯PC_(61)BM,并接近PC_(71)BM受体。三者器件短路电流差距较大,PCBM混合物的短路电流高于PC_(61)BM,略低于PC_(71)BM受体。光电转换过程分析表明,三者器件的短路电流差距,主要来自短波长处的光吸收和载流子收集效率差别。采用倒置器件结构和电子传输材料PFN,对器件做进一步优化,我们将PTB7给体PCBM混合物受体器件光电转换效率提高至8.01%。研究结果表明,PCBM天然混合物在合成成本和光电性能上均优于PC_(61)BM受体,是大面积有机太阳电池模组受体材料的优秀候选者。非富勒烯太阳电池能够实现转换效率的突破,其中一个决定性的因素是其具有低能量损耗,在器件上表现出高开路电压。器件的能量损失不仅取决于受体本身,还与相应匹配的给体材料有关。第三章中,我们以P3HT和PTB7-Th作为给体,对比研究了富勒烯和非富勒烯受体器件,使用带隙内的EQE和EL光谱测试分析器件的电荷转移能量(E_(CT)),发现非富勒烯器件E_(CT)提高涉及两种不同机制。对于只提高电荷转移能量而不影响单线态能量的体系,开路电压的提高不会损失光谱响应。此外,给受体材料的带尾态和无序态的分析表明,材料的能级无序度也会对器件的能量损失造成影响。有机太阳电池中高效的电荷产生,不仅要求给受体材料有互补的光吸收,还需要给体的高效光诱导电子转移(PET)和受体的高效光诱导空穴转移(PHT),高效PET和PHT过程需要合理充足的能级差作为电荷转移的驱动力。在能量损失方面,器件的非辐射复合能量损失,是影响开路电压的关键因素。在第四章,我们研究了宽带隙给体PMOT40分别与窄带隙受体IDIC和i-IEICO-4F匹配组成的高效体系。体系不仅展现了平衡、高效的双通道电荷产生和高开路电压(最小化非辐射复合能量损失),并且由于优秀的载流子传输特性,表现出高填充因子。在PMOT40:i-IEICO-4F单结器件实现了13%的能量转换效率(认证效率12.5%)。
【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】：TM914.4
【图文】：

第一章 绪论对给体 PBDB-T 和受体 ITIC 的端基进行化学修饰，陆续取得了能量的新突破，将 ITIC 类受体有机太阳电池的转化效率稳定至 12%-13%[机太阳电池光电转化过程机太阳电池是将入射的太阳光光能转化为电能输出的装置。太阳光在入器件后，需要经历几个物理过程：I,光子吸收(Photon Absroption)；II,(Exciton Diffusion); III,激子分离(Exciton Dissociation); IV,载流子传输 Collection)。

图 1-2 有机太阳电池电流-电压特性曲线ig. 1-2 Current-voltage (J-V) characteristics of organic solar ce纵轴的交点是短路电流密度 Jsc(Short-circuit current densit化的将光子转化为电子输出的能力，即是太阳电池最大输标的交点是开路电压 Voc(Open-circuit voltage)，开路电压是征，即太阳电池最大输出电压。为了达到最大输出功率，实在最大电流输出状态，也非在最大电压输出状态，而是需要PP(Max Power point)，这时的功率输出为最大 Pmax。这个工电压密度即为 Jm(最佳工作电流密度)和 Vm(最佳工作电压)征参数填充因子 FF(Fill Factor)，定义为器件最大输出功率电流密度 JSC乘积之比：

FF =PmaxVoc×Jsc=Vm×JmVoc×Jsc(1-1)电流密度(Jsc)是太阳电池器件在光照条件下，器件正负极短接时输出的电流由于没有外加电压抵消内建电场，此时器件内建电场最大，得到输出电流是在各个波长的太阳光光子转换成为电子的总和：Jsc= ∫φAM1.5G(λ) × EQE(λ)dλ (1-2)AM1.5G(λ)为 1.5 个大气质量下太阳光在特定波长处光子计数，E外量子效率(External quantum efficiency)，是特定波长的入射光子

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本文编号：2748698