添加剂调控聚合物太阳能电池活性层形貌及垂直相分离的研究
发布时间：2021-03-10 22:27
聚合物太阳能电池（PSCs）以低成本、环保、柔性、半透明、可大规模制备等优点,成为下一代太阳能利用的重要技术之一。通过给/受体材料设计合成、界面修饰、形貌优化和器件结构等方面的持续努力,目前单节PSCs的功率转化效率（PCE）已经超过17%,显示出光明的产业化前景。良好的活性层形貌有利于实现高PCE的PSCs,而使用溶剂添加剂是优化活性层形貌简单且行之有效的方法,因此对溶剂添加剂作用机理的研究十分必要。本文选用窄带隙聚合物PTB7-Th作为给体、PC71BM作为受体。通过调控溶剂添加剂的种类和含量来优化器件性能,研究不同溶剂添加剂对PTB7-Th:PC71BM形貌和垂直相分离的调控作用,并阐述了其与器件性能的关系。具体内容主要分为以下三个部分:（1）采用新型高沸点溶剂添加剂二苯硫醚（DPS,295℃）改善基于PTB7-Th:PC71BM的光伏器件性能,并研究其作用机理。通过制备不同DPS含量的PTB7-Th:PC71BM光伏器件,探究DPS含量对光伏器件性能的影响。通过飞行时间二次离子质谱仪（TOF...
【文章来源】：兰州交通大学甘肃省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
硅基太阳能电池
添加剂调控聚合物太阳能电池活性层形貌及垂直相分离的研究-2-月11号公布的数据(图1.2)，单晶硅太阳能电池功率转化效率(PCE)已经达到27.6%。但由于硅太阳能电池有诸多缺点，比如价格昂贵，使用寿命低，稳定性差等，限制了其进一步的发展。因此，发展更加清洁、低廉的下一代新型太阳能电池显得愈来愈重要。图1.2NERL的最新太阳能电池功率转换效率进展同传统硅太阳能电池相比，有机聚合物太阳能电池(PSCs)有许多难以替代的优点：质量轻、半透明、可柔性制备、低廉、大面积生产等，能够降低生产成本，减少环境污染，因而在解决能源问题上拥有巨大的潜力，具有广阔的应用前景，如图1.3所示。第一个PSCs的器件是由四羧基苝衍生物和铜酞菁双层膜构成，由邓青云博士于1986年提出，尽管效率只有1%左右，但却为后来的PSCs的研究形成了一个良好的开端[1]。1995年，HeegerAlanJ课题组等人使用MEH-PPV和PCBM进行溶液共混，制备成体异质结PSCs，极大增加了MEH-PPV/PCBM界面面积，提升了光生激子的解离以及电荷的输运，改善了光伏器件性能。此后，这种体异质结光伏器件结构迅速开始普及[2-3]。2005年，HeegerAlanJ教授等人制备了基于P3HT给体和富勒烯衍生物PC61BM受体的PSCs，经退火后，活性层结晶性得到提升，PCE显著提升至5%[4]。2016年，颜河教授等人合成出给体材料PffBT4T-C913，将之与PCBM进行组合，制备获得二元光伏器件，PCE高达11.7%[5]。
兰州交通大学硕士学位论文-3-2016年，KilwonCho等人，提出DIO或CN溶剂添加剂的使用对活性层组分的垂直分布有很强的影响，并产生了较明显的垂直梯度结构，同时指出垂直梯度与光伏特性密切相关[6]。2018年，侯剑辉等人通过在小分子受体ITIC上引入F原子，设计出新型受体IT-4Cl，与PBDB-T-2F受体共混，PCE达到14.2%[7]。2019年，李永舫院士和邹应萍等人设计出小分子受体材料Y6，成功制备出PM6:Y6聚合物太阳能电池，PCE升高到15.7%[8]。2020年，丁黎明课题组在基于DTTP衍生物D16给体的基础上，制备出新型给体D18，其空穴迁移率大大提升，同Y6进行共混，获得高达18.2%的功率转换效率[9]。聚合物太阳能电池在短短三十年内，进展十分迅速，单节聚合物太阳能电池的PCE已经超过17%，叠层聚合物太阳能电池的PCE高达17.3%[9-11]。图1.3有机聚合物太阳能电池1.2聚合物太阳能电池工作原理聚合物太阳能电池器件结构主要是由给体、受体、阴极和阳极构成，其工作原理是依托光生伏打效应。如图1.4所示，太阳光入射到活性层材料(给体材料与受体材料)，活性层材料吸收太阳光，产生激子(束缚的电子-空穴对)，激子扩散到给体/受体界面处，分离成电子和空穴，经过阴极和阳极收集后，产生光电流与光电压。具体的光电转化过程可以分为以下四个部分[12]：(1)光生激子的产生：当有太阳光照射到光敏活性层上，给体材料和受体材料会吸收光子，电子由最高被占据分子轨道(HOMO)能级跃迁至相应的最低未被占据分子轨道
【参考文献】：
期刊论文
[1]Organic photovoltaic cell with 17% efficiency and superior processability[J]. Yong Cui,Huifeng Yao,Ling Hong,Tao Zhang,Yabing Tang,Baojun Lin,Kaihu Xian,Bowei Gao,Cunbin An,Pengqing Bi,Wei Ma,Jianhui Hou. National Science Review. 2020(07)
[2]有机太阳电池效率突破18%（英文）[J]. 刘启世,江宇凡,金柯,秦建强,许金桂,李文婷,熊骥,刘金凤,肖作,孙宽,杨上峰,张小涛,丁黎明. Science Bulletin. 2020(04)
博士论文
[1]活性层形貌的优化及空穴传输层的改善对PTB7-Th:PC71BM太阳能电池性能的影响[D]. 赵玲.北京交通大学 2016
本文编号：3075383
【文章来源】：兰州交通大学甘肃省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
硅基太阳能电池
添加剂调控聚合物太阳能电池活性层形貌及垂直相分离的研究-2-月11号公布的数据(图1.2)，单晶硅太阳能电池功率转化效率(PCE)已经达到27.6%。但由于硅太阳能电池有诸多缺点，比如价格昂贵，使用寿命低，稳定性差等，限制了其进一步的发展。因此，发展更加清洁、低廉的下一代新型太阳能电池显得愈来愈重要。图1.2NERL的最新太阳能电池功率转换效率进展同传统硅太阳能电池相比，有机聚合物太阳能电池(PSCs)有许多难以替代的优点：质量轻、半透明、可柔性制备、低廉、大面积生产等，能够降低生产成本，减少环境污染，因而在解决能源问题上拥有巨大的潜力，具有广阔的应用前景，如图1.3所示。第一个PSCs的器件是由四羧基苝衍生物和铜酞菁双层膜构成，由邓青云博士于1986年提出，尽管效率只有1%左右，但却为后来的PSCs的研究形成了一个良好的开端[1]。1995年，HeegerAlanJ课题组等人使用MEH-PPV和PCBM进行溶液共混，制备成体异质结PSCs，极大增加了MEH-PPV/PCBM界面面积，提升了光生激子的解离以及电荷的输运，改善了光伏器件性能。此后，这种体异质结光伏器件结构迅速开始普及[2-3]。2005年，HeegerAlanJ教授等人制备了基于P3HT给体和富勒烯衍生物PC61BM受体的PSCs，经退火后，活性层结晶性得到提升，PCE显著提升至5%[4]。2016年，颜河教授等人合成出给体材料PffBT4T-C913，将之与PCBM进行组合，制备获得二元光伏器件，PCE高达11.7%[5]。
兰州交通大学硕士学位论文-3-2016年，KilwonCho等人，提出DIO或CN溶剂添加剂的使用对活性层组分的垂直分布有很强的影响，并产生了较明显的垂直梯度结构，同时指出垂直梯度与光伏特性密切相关[6]。2018年，侯剑辉等人通过在小分子受体ITIC上引入F原子，设计出新型受体IT-4Cl，与PBDB-T-2F受体共混，PCE达到14.2%[7]。2019年，李永舫院士和邹应萍等人设计出小分子受体材料Y6，成功制备出PM6:Y6聚合物太阳能电池，PCE升高到15.7%[8]。2020年，丁黎明课题组在基于DTTP衍生物D16给体的基础上，制备出新型给体D18，其空穴迁移率大大提升，同Y6进行共混，获得高达18.2%的功率转换效率[9]。聚合物太阳能电池在短短三十年内，进展十分迅速，单节聚合物太阳能电池的PCE已经超过17%，叠层聚合物太阳能电池的PCE高达17.3%[9-11]。图1.3有机聚合物太阳能电池1.2聚合物太阳能电池工作原理聚合物太阳能电池器件结构主要是由给体、受体、阴极和阳极构成，其工作原理是依托光生伏打效应。如图1.4所示，太阳光入射到活性层材料(给体材料与受体材料)，活性层材料吸收太阳光，产生激子(束缚的电子-空穴对)，激子扩散到给体/受体界面处，分离成电子和空穴，经过阴极和阳极收集后，产生光电流与光电压。具体的光电转化过程可以分为以下四个部分[12]：(1)光生激子的产生：当有太阳光照射到光敏活性层上，给体材料和受体材料会吸收光子，电子由最高被占据分子轨道(HOMO)能级跃迁至相应的最低未被占据分子轨道
【参考文献】：
期刊论文
[1]Organic photovoltaic cell with 17% efficiency and superior processability[J]. Yong Cui,Huifeng Yao,Ling Hong,Tao Zhang,Yabing Tang,Baojun Lin,Kaihu Xian,Bowei Gao,Cunbin An,Pengqing Bi,Wei Ma,Jianhui Hou. National Science Review. 2020(07)
[2]有机太阳电池效率突破18%（英文）[J]. 刘启世,江宇凡,金柯,秦建强,许金桂,李文婷,熊骥,刘金凤,肖作,孙宽,杨上峰,张小涛,丁黎明. Science Bulletin. 2020(04)
博士论文
[1]活性层形貌的优化及空穴传输层的改善对PTB7-Th:PC71BM太阳能电池性能的影响[D]. 赵玲.北京交通大学 2016
本文编号：3075383
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