通过氧化锌阴极界面层的修饰和活性层的溶剂处理提高聚合物太阳能电池性能
发布时间：2021-01-08 10:52
聚合物太阳能电池（PSCs）因为质量轻、成本低、可大面积卷对卷生产等优势被广泛研究。最近,人们通过新材料的合成、界面层的修饰、活性层形貌的调控和器件结构的优化使得单节PSCs的能量转换效率（PCE）超过了13%。而反式聚合物太阳能电池（i-PSCs）由于比正式结构有更高的效率和更好的稳定性越来越引起人们的关注。在反式器件中,通常有一个阴极界面层（CIL）被插入到ITO和活性层之间来降低ITO的功函数及改善ITO和活性层之间的界面接触。氧化锌（ZnO）因其适合的能级、低成本、无污染等优点,成为一个非常有竞争力的阴极界面材料。然而ZnO作为i-PSCs的CIL也有一些缺陷。首先,无机ZnO与有机活性层之间的接触质量比较差,它们之间较大的串联电阻会减小载流子传输效率,导致较低的短路电流密度(JSC)和填充因子（FF）;其次,在制备ZnO薄膜的过程中容易引入表面缺陷,这些缺陷会成为载流子的再结合中心,严重损害器件的性能和稳定性;最后,溶液加工制备的ZnO薄膜的导电率比较差,这也会影响电子的传输效率,进而影响器件的性能。为了解决这些问题,通过合适的材料来修饰ZnO是非常必要...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：145 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
肖特基型太阳能电池(a)器件结构(b)工作原理图
电池的发展有深远的影响。双层膜的本质是异质结，所以人们称这类结构的电池为双层异质结太阳能电池。该类电池的器件结构和工作原理如图 1.2a 和 1.2b 所示。首先，作为给体的有机材料吸收光后会使电子会从 HOMO能级跃迁到 LUMO能级（最低空轨道），这样就产生了激子。激子扩散到给受体界面，解离为电子和空穴。然后电子会传输到受体材料的 LUMO 能级上进而被阴极收集，而空穴会通过给体材料传输到阳极。因为双层膜异质结太阳能电池中的双层膜在制备过程中会有一定的相互渗透，导致给受体接触面积较大，给体中产生的激子可以较容易地扩散到给受体的界面。而且激子的分离动力来自于给受体的 LUMO 和HOMO 能级差，激子的解离效率明显高于肖特基型有机太阳能电池。但是，在双层膜异质结太阳能电池中，因为激子的寿命较短，在有机材料中的扩散距离仅有 2-20 nm 左右[7]。所以，为了使产生的激子快速扩散到双层膜的界面，有机给体材料的厚度要尽可能的薄，但是薄层的活性层对光的吸收非常有限，这个问题一直限制着双层异质结太阳能电池的发展。
层[9]，形成的互穿网络结构可以有效地增加给体和受体的接触面积。他们制备了结构为 Ca/MEH-PPV:PCBM(1:4)/ITO 的器件，器件效率可以达到 2.9%。他们首次将这种共混膜的电池称为体异质结太阳能电池。它最初的结构如图 1.3a 所示，这种电池的工作原理和双层异质结太阳能电池类似，共混的给受体膜有非常多的接触界面，光诱导产生的激子能快速扩散到界面解离，这极大的降低了激子在扩散过程中的复合。同时，产生的载流子能通过较短的途径到达电极，提高了载流子的收集效率，所以这种结构的器件效率比较高。但是，这种最初结构的体异质结太阳能电池也有一些缺陷，比如，混合的给受体材料与电极直接接触，部分给体不可避免的会与阴极接触，受体会与阳极接触，这样的结构不利于载流子的传输收集。在之后的研究中，人们在活性层和阴极之间引入阴极界面层来阻挡空穴传输电子，在活性层和阳极之间引入阳极界面层来阻挡电子传输空穴[10]。其结构如图 1.3b，这种器件结构能够有效地提高激子的分离和载流子的传输效率。目前，效率最高的单节有机太阳能电池就是这种体异质结结构。
本文编号：2964465
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：145 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
肖特基型太阳能电池(a)器件结构(b)工作原理图
电池的发展有深远的影响。双层膜的本质是异质结，所以人们称这类结构的电池为双层异质结太阳能电池。该类电池的器件结构和工作原理如图 1.2a 和 1.2b 所示。首先，作为给体的有机材料吸收光后会使电子会从 HOMO能级跃迁到 LUMO能级（最低空轨道），这样就产生了激子。激子扩散到给受体界面，解离为电子和空穴。然后电子会传输到受体材料的 LUMO 能级上进而被阴极收集，而空穴会通过给体材料传输到阳极。因为双层膜异质结太阳能电池中的双层膜在制备过程中会有一定的相互渗透，导致给受体接触面积较大，给体中产生的激子可以较容易地扩散到给受体的界面。而且激子的分离动力来自于给受体的 LUMO 和HOMO 能级差，激子的解离效率明显高于肖特基型有机太阳能电池。但是，在双层膜异质结太阳能电池中，因为激子的寿命较短，在有机材料中的扩散距离仅有 2-20 nm 左右[7]。所以，为了使产生的激子快速扩散到双层膜的界面，有机给体材料的厚度要尽可能的薄，但是薄层的活性层对光的吸收非常有限，这个问题一直限制着双层异质结太阳能电池的发展。
层[9]，形成的互穿网络结构可以有效地增加给体和受体的接触面积。他们制备了结构为 Ca/MEH-PPV:PCBM(1:4)/ITO 的器件，器件效率可以达到 2.9%。他们首次将这种共混膜的电池称为体异质结太阳能电池。它最初的结构如图 1.3a 所示，这种电池的工作原理和双层异质结太阳能电池类似，共混的给受体膜有非常多的接触界面，光诱导产生的激子能快速扩散到界面解离，这极大的降低了激子在扩散过程中的复合。同时，产生的载流子能通过较短的途径到达电极，提高了载流子的收集效率，所以这种结构的器件效率比较高。但是，这种最初结构的体异质结太阳能电池也有一些缺陷，比如，混合的给受体材料与电极直接接触，部分给体不可避免的会与阴极接触，受体会与阳极接触，这样的结构不利于载流子的传输收集。在之后的研究中，人们在活性层和阴极之间引入阴极界面层来阻挡空穴传输电子，在活性层和阳极之间引入阳极界面层来阻挡电子传输空穴[10]。其结构如图 1.3b，这种器件结构能够有效地提高激子的分离和载流子的传输效率。目前，效率最高的单节有机太阳能电池就是这种体异质结结构。
本文编号：2964465
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