面向聚合物太阳能电池界面修饰层的石墨烯材料

发布时间：2017-04-06 18:20

  本文关键词：面向聚合物太阳能电池界面修饰层的石墨烯材料，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来聚合物太阳能电池已成为科学界的研究热点之一,聚合物太阳能电池的性能得到了快速的提升,文献中的最高能量转换效率已经超过11%。但是,聚合物太阳能电池要做到真正商业化、实用化,其能量转换效率和稳定性还需进一步的提高。目前,提高聚合物太阳能电池器件的能量转换效率有以下几种主要途径:1、从材料入手,设计合成新型共轭聚合物材料,扩展吸收光谱,提高光源的利用率;2、调控活性层给受体材料之间的形貌,在纳米尺度形成互穿网络,减少复合损失;3、采用界面材料调控活性层材料与金属电极的界面,优化界面能级与表面接触等性质,从而实现载流子的高效收集。石墨烯及其衍生物具有良好的透光性、较好的机械性能、含有大?键体系的片层结构,可分散在溶液中进行溶液加工等优点,包括石墨烯量子点材料在内的石墨烯衍生物已经作为界面材料在聚合物太阳能电池中得到了应用。本论文根据聚合物太阳能电池的需要,设计合成了一系列石墨烯衍生物,并将其作为界面材料用于器件中,以提高聚合物太阳能电池的效率。本论文的主要研究内容如下:1.以N,N-二甲基甲酰胺(DMF)或超纯水作溶剂,以乙二胺为还原剂,制备了氨基化的氧化石墨烯(分别表示为rGO/DMF及rGO/H2O)。沉降试验表明,rGO/DMF的分散性优于rGO/H2O,干燥会使得产物的分散性能降低;红外光谱及元素分析测试表明DMF体系中,反应时间长,还原程度高。H2O体系则结果不明显。两类材料的分散性欠佳,旋涂成膜性能较差,不能用于有机太阳能电池的界面材料。以超纯水作溶剂,氯乙酸钠作还原剂,制备了羧基化氧化石墨烯(GO-COOH)薄膜材料。红外光谱表明氧化石墨烯表面的C-OH基团已被COOH取代,AFM测试表明该羧基化氧化石墨烯能使ITO表面的粗糙度降低。将其作为阳极界面层材料应用于聚合物太阳能电池器件,优化后的器件能量转换效率由0.89%提高至2.47%,表明了在器件中引入GO-COOH薄膜作为空穴传输层可以有效改善器件的能量传输效率。2.分别以氨水、乙二胺、二乙烯三胺为氨源,柠檬酸为碳源制备了氨基化的石墨烯量子点材料(分别标记为N1-GQDs、N2-GQDs、N3-GQDs),光致发光实验表明三类量子点材料的尺寸依次减小,以红外、紫外、荧光光谱表征了其光学性能,然后以多种N-GQDs为电子传输层材料,制备了P3HT:PC61BM电池器件,研究了N-GQDs浓度、转速及紫外臭氧清洗过程(UVO)等因素对器件性能的影响。得出如下结论:1)N1-GQDs几乎没有起到电子传输的作用,反而由于其尺寸偏大,阻碍了电子的传输,使得其器件几乎没有效率。而N2-GQDs、N3-GQDs用于电子传输层后,器件的各个性能参数均有所提升,PCE达到了2.66%和3.42%,表明材料的尺寸越小,分布越平均,光电转换效率越高。2)以N3-GQDs为研究对象,优化了N3-GQDs的浓度及旋涂成膜的速率,结果表明N3-GQDs的浓度在0.6 mg/mL最为合适,最佳旋涂速率为4500 rpm。浓度较小或旋涂速率较快时,N3-GQDs膜厚较小,并不能将ITO表面完全覆盖,由于能级不匹配产生较大的接触势垒,导致器件的Jsc和FF以及效率降低。但当N-GQDs浓度偏大或旋涂速率较慢时,N-GQDs膜厚度随之增加,导致器件的串联电阻增加,器件的Jsc和FF减小,因而使器件的效率降低。3)ITO玻璃片经过UVO处理后,器件性能变优,这是由于经过UVO处理之后,可以去除ITO表面残留的少量污染物,同时它也可以增大N-GQDs在ITO表面的浸润性,提高ITO的功函数,使得能级更加匹配,电子传输更为容易,JSC得到了极大地提高,所以器件的性能得到了提升。
【关键词】：聚合物太阳能电池 界面材料 功能化石墨烯 石墨烯量子点
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-27
• 1.1 前言11-12
• 1.2 聚合物太阳能电池简述12-16
• 1.2.1 聚合物太阳能电池发展历程12-13
• 1.2.2 聚合物太阳能电池的工作原理13-15
• 1.2.3 聚合物太阳能电池的器件结构15-16
• 1.3 器件的界面调控问题16-19
• 1.3.1 界面层的作用17
• 1.3.2 阳极界面层的研究进展17-18
• 1.3.3 阴极界面层的研究进展18-19
• 1.4 石墨烯材料的制备19-23
• 1.4.1 微机械剥离法20
• 1.4.2 液相剥离法20-21
• 1.4.3 化学气相沉积法21
• 1.4.4 外延生长21
• 1.4.5 碳纳米管切割21-22
• 1.4.6 化学还原法22-23
• 1.5 石墨烯量子点材料的制备23-26
• 1.5.1 水热法23-24
• 1.5.2 化学氧化剥离碳纤维法24
• 1.5.3 溶液化学法24-25
• 1.5.4 微波和超声波法25-26
• 1.6 论文的工作设计与研究内容26-27
• 第2章 实验基本试剂及表征方法27-30
• 2.1 实验主要试剂27-28
• 2.2 材料制备主要仪器及设备28
• 2.3 材料的结构和物理性能表征28-29
• 2.3.1 傅里叶变换红外光谱28-29
• 2.3.2 紫外可见分光光度计29
• 2.3.3 元素分析仪29
• 2.3.4 原子力显微镜29
• 2.3.5 荧光分光光度计29
• 2.4 太阳能电池器件性能表征29-30
• 第3章 功能化石墨烯材料的制备及应用30-39
• 3.1 引言30
• 3.2 氨基化石墨烯的制备与表征30-34
• 3.2.1 rGO/DMF的制备30
• 3.2.2 rGO/H_2O的制备30-31
• 3.2.3 氨基化石墨烯的表征31-34
• 3.2.3.1 沉降试验31-32
• 3.2.3.2 红外光谱分析32-33
• 3.2.3.3 元素分析33-34
• 3.2.4 小结34
• 3.3 羧基化氧化石墨烯的制备与应用34-39
• 3.3.1 GO-COOH的制备34
• 3.3.2 GO-COOH物理性能的表征34-35
• 3.3.2.1 红外光谱分析34-35
• 3.3.2.2 ITO/GO-COOH薄膜的表面形貌35
• 3.3.3 GO-COOH作为空穴传输层制备器件35-36
• 3.3.4 不同空穴传输层器件性能的比较36-37
• 3.3.5 GO-COOH作为空穴传输层器件的性能表征37-38
• 3.3.6 小结38-39
• 第4章 氨基化石墨烯量子点的制备与应用39-50
• 4.1 引言39-40
• 4.2 实验部分40-41
• 4.2.1 N1-GQDs的制备40
• 4.2.2 N2-GQDs的制备40
• 4.2.3 N3-GQDs的制备40-41
• 4.2.4 反式有机太阳能电池的制备41
• 4.3 材料性能表征41-45
• 4.3.1 氨基化石墨烯量子点的光致发光现象41-42
• 4.3.2 红外光谱分析42-43
• 4.3.3 紫外光谱分析43-44
• 4.3.4 荧光光谱分析44-45
• 4.4 器件性能表征45-48
• 4.4.1 三种材料器件性能对比45
• 4.4.2 N-GQDs浓度的影响45-46
• 4.4.3 GQDs转速的影响46-47
• 4.4.4 UVO处理对器件性能的影响47-48
• 4.5 小结48-50
• 第5章 结论与展望50-52
• 5.1 结论50-51
• 5.2 展望51-52
• 参考文献52-60
• 致谢60-61
• 个人简历61-62
• 在学期间发表的学术论文与研究结果62

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本文编号：289427