高性能有机太阳能电池的制备与表征

发布时间：2020-08-01 22:57

【摘要】：利用可再生且清洁的太阳能被认为是帮助人类战胜能源危机的最有效途径之一。有机太阳能电池具有来源广泛、制备工艺简单、成本较低、质量轻、可制成大面积柔性器件等优点。在过去的20年里,通过新型有机半导体材料的开发与器件制备工艺的不断优化,有机太阳能电池的能量转化效率已经实现了巨大的提升,目前单节有机太阳能电池的能量转化效率已经超过15%,叠层有机太阳能电池能量转化效率已经超过17%,显示出了巨大的应用前景。为了实现能量转化效率的进一步提升以及有机太阳能电池的最终商业化利用,活性层材料的设计与合成以及器件的制备与优化仍然是实现这一目标的关键。第一部分工作中,我们课题组合成了三种基于双氟苯并恶二唑(ffBX)的给体聚合物,并被命名为PffBX-T,PffBX-TT和PffBX-DTT,分别含有噻吩(T),噻吩并[3,2-b]噻吩(TT)和二噻吩并[3,2-b:2',3'-d]噻吩(DTT)作为π-间隔基团。温度依赖吸收光谱测试发现随着π-间隔基团尺寸变大,聚合物聚集强度按照PffBX-T,PffBX-TT和PffBX-DTT的顺序增加。具有中等聚集强度的PffBX-TT能够在电池活性层的制备过程中实现良好的无序-有序转变,基于PffBX-TT:PC_(71)BM的有机太阳能电池获得最佳的共混膜形态和最高光电转化性能(9.10%),同时也发现活性层厚度可达250 nm。然而当聚集强度更大的PffBX-DTT和偏小的PffBX-T分别利用PC_(71)BM作为受体材料制备有机太阳能电池时,平均光电转化效率分别降至6.54%和1.33%,性能下降主要是由于共混膜形成过程没有得到良好控制的导致不太良好的共混膜形貌,从而致使短路电流密度减小。虽然基于PffBX-DTT和PffBX-T有机太阳能电池性能下降了,但是我们依旧得到了厚膜太阳能电池。当使用非富勒烯IT-4F作为受体材料制备器件时也观察到类似的器件性能趋势,所得到的器件也属于厚膜太阳能电池。这些实验结果表明含有ffBX单元的聚合物是制备厚膜太阳能电池的有前途候选者。除此之外,这些实验结果也表明对于ffBX的聚合物体系,聚合物聚集强度调节对于实现最佳本体异质结共混膜形态和高的器件性能是非常重要的。第二部分工作中,我们组开发了新型基于邻苯二甲酰亚胺(PhI)的中等带隙给体聚合物PhI-ffBT和ffPhI-ffBT,随后将其用于制备非富勒烯有机太阳能电池并取得较高的效率。与迄今为止报道的所有高性能聚合物(全部是基于苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩(BDT))相比,PhI-ffBT和ffPhI-ffBT均不含BDT单元,且具有D-A1-D-A2型骨架。掺入第二受体单元双氟苯并噻二唑(ffBT)后导致这些聚合物有低的HOMO能级,显示出与窄带隙非富勒烯受体材料IT-4F互补的吸收和匹配的能级分布。通过系统的器件优化工程,最终含有基于双氟邻苯二甲酰亚胺的聚合物ffPhI-ffBT的电池器件最高获得12.74%光电转化效率。与基于ffPhI-ffBT的装置相比,基于邻苯二甲酰亚胺的聚合物PhI-ffBT的电池器件显示出进一步增高的光电转化效率(13.31%),值得一提的是,13.31%的效率是除了广泛研究的基于BDT的聚合物外的最高值,并且在所有基于ffBT的聚合物中也是最高的。实验结果表明邻苯二甲酰亚胺是极佳的用于构建的高效率非富勒烯太阳能电池的构建单元,D-A1-D-A2型聚合物分子骨架结构设计策略对于调节聚合物性能和提高光伏性能是非常有效的。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM914.4
【图文】：

有机太阳能电池,器件结构

图 1-1 常见有机太阳能电池器件结构a) 单层肖特基结构 b) 双层 D/A 异质结结构 c) D/A 本体异质结结构 d) 叠层结构前文已经讨论，有机太阳能电池活性层内激子扩散长度仅有 10 20 nm，这导致在上图 1-1a)与 b)两种器件结构下，大多数激子无法扩散到异质结表面实现载流子分离，从而导致效率较低[3, 25]。结构 c)是目前应用最广泛的有机太阳能电池结构，在这种器件结构下，给体与受体材料可以实现在活性层内的充分共混，因此在活性层内可以形成无数个给受体界面，使有机太阳能电池激子的分离可以发生在整个活性层内，因此与上面的单层肖特基结构与双层 D/A 异质结结构相比较，极大的提高了激子的解离率，使器件的效率和性能大大提高。最后一种叠层器件结构是两个或者多个本体异质结太阳能电池通过串联或者并联方式制备的，这种结构的太阳能电池可以最大限度的吸收太阳光谱，提高对太阳光的利用率；而且串联结构下叠层太阳能电池可以实现子前后子电池电压的叠加，极大的提高器件的开路电压，从而获得较高的光电转化效率，不过这种结构存在制备工艺复杂的缺点。除了上述的四种结构外，最近一种名为 Layer-by-Layer 结构的有机太阳能电池也受到了广泛的关注，这种结构不同于双层 D/A 异质结结构，Layer-by-Layer 结构下的有机太阳能电池活性层可以形成 D/D:A/A 的组份分布，在这种结构下的有机太阳能电池也

激子,有机太阳能电池,电荷,异质结结构

图 1-2 基于本体异质结结构的有机太阳能电池工作原理:（1）激子产生；（2）激子扩散；（3）激子解离；（4）电荷移动；（5）电荷提取；（6）电荷复合[27]。除了会导致效率下降的电荷复合过程，有机太阳能电池的光能到电能的转化过程主要包括（1）激子产生（光吸收过程）；（2）激子扩散；（3）激子解离（电荷的转移和分离）；（4）电荷移动；（5）电荷提取（电荷被正负极收集）。第一步激子的产生是由于有机太阳能电池活性物质吸收光后电子从HOMO能级跳跃到LUMO能级，在 HOMO 能级上产生空穴，LUMO 能级上的电子与 HOMO 能级上空穴通过库仑作用束缚在一起形成电子-空穴对，被称为激子。第二步是激子的扩散过程，激子通过自由扩散到达给/受体两相界面处实现电荷的分离，由于有机太阳能电池内激子的扩散距离只有 10 20nm, 因此形成给/受体合适相分离尺寸的连续互穿网络是保障有机太阳能电池实现高效率的重要基础。第三步激子在给体和受体材料两相界面处分离，由于在有机太阳能电池内光激发产生的 Frenkel 激子，激子结合能较大，单凭某个给体或者受体材料光照后产生的微弱内建电场是无法实现激子的分离，只有当激子扩散至给体与受体材料界面处时，由于给体和受体之间的电子亲和势(electron affinity)的不同，该能级差就是实现有机太阳能电池激子分离的驱动力。值得注意的是在激子的解离过程中还会形成电荷转移态(chargetransferstate)，

曲线,有机太阳能电池,器件,曲线

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文受体材料所行成的通道内移动，空穴在给体材料所形成的通电子向着低电势的负极移动，带正电荷的空穴向着高电势正负电荷分别被器件的正负极提取，由此行成了光伏效应太阳能电池性能参数及其调控策略阳能电池的输出特性大多用电流密度电压(J V)曲线来表

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