全聚合物有机太阳能电池的研究
发布时间：2021-07-06 01:54
有机太阳能电池具有质轻、柔性和可以进行大面积制备的优点。目前,有机太阳能电池的效率已经突破了18%。基于聚合物受体的有机太阳能电池在热力学和机械稳定性上具有明显的优势,效率已经突破了11%,这使其成为研究的热点之一,其快速发展对推动有机太阳能电池的商业化具有重要意义。本论文工作的重点是从聚合物受体和聚合物给体两个角度来探索提高全聚合物有机太阳能电池的光电转换效率（PCE）的方法。首先,研究了不对称结构的引入对聚合物受体的影响,并与实验室发展的聚合物给体构建了全聚合物有机太阳能电池;其次,研究了不对称结构的引入对聚合物给体的影响,并与经典的聚合物受体构建了全聚合物有机太阳能电池;最后,通过侧链修饰的方法来优化聚合物受体的性能。同时,探究了器件制备工艺对电池效率的影响。（1）设计和合成了一种具有不对成结构的受体聚合物PBDTβNPDI,该聚合物在300-600nm的光谱区存在着较强的光学吸收,与PTBTz-2在可见和近红外光谱区存在着互补的光学吸收。基于PTBTz-2:PBDTβNPDI活性层的形貌在退火和添加DIO处理后得到了显著的改善,相分离程度以及结晶度得到了提高。优化条件下器件的效...
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
有机太阳能电池的器件结构器件示意图[15]
全聚合物有机太阳能电池的研究6图1-2有机太阳能电池的工作原理示意图[35]Figure1-2WorkingmechanismschematicdiagramoftheOSCs[35]决定有机太阳能电池光电转换性能的因素包括开路电压（Open-circuitvoltage,Voc）、短路电流密度（Short-circuitcurrentdensity,Jsc）、填充因子（Fillfactor,FF）、能量转换效率（Powerconversionefficiency,PCE）以及外量子效率（externalquantumefficiency,EQE）[45]。具体可以用图1-3所示的有机太阳能电池的伏安特性曲线（J-V曲线）表示。（1）开路电压（VOC）：指的是太阳能电池器件在电流等于零或者外电路为开路时的电压。Voc是一个特征参数，随界面能（△EDA）的增加而增加，而界面能由给体的HOMO与受体的LUMO能极差决定[46]。所以，一般可用公式（1/e）（EDONORHOMO-EACCEPTORLUMO）/e-0.3V来表示开压，同时Voc也与复合动力学、饱和暗电流密度以及活性层的形貌等因素有关。通常可采用优化给体和受体的结构使之实现择优取向来减少构象紊乱来增加器件的Voc。（2）短路电流密度（JSC）:指的是太阳能电池外电路短路时或者电压等于零时的电流密度。器件的短路电流密度主要受活性层吸光能力的影响，但载流子的迁移率，活性层的形貌也是影响短路电流密度的因素[39]。（3）填充因子（FF）：指的是器件输出的最大功率与Voc和Jsc的乘积之比，跟J-V曲线的形状有很大关系。从定义上看影响到Voc和Jsc的因素也会影响到FF。如：活性层的形貌，载流子的迁移速率等[47]。（4）能量转换效率（PCE）:指的是器件的最大功率（Pmax）与光输入功率（Pin）的比值，即PCE==××/。Pin通常为模拟太阳光强度为AM1.5G时的光照功率值，约为1.5mWcm-2。通常以PCE数值的大小作为评价?
青岛科技大学研究生学位论文7（5）外量子效率（Externalquantumefficiency，EQE）：指的是在一定波长下，太阳能电池器件能够产生的电子数与入射光子数的比值。外量子效率的图谱揭示了太阳能电池器件对于不同波长的入射的响应。EQE通常也被视为验证电流是否可信的一个指标，一般高性能电池的EQE值也较高。图1-3太阳能的J-V曲线以及器件参数[46,47]Figure1-3J-Vcurveanddeviceparametersoforganicsolarcells[46,47]通过分析各参数之间的关系可以发现PCE的大小受到JSC，VOC，FF这三个参数的影响。所以有机太阳能电池的研究应以如何提高这三个参数为出发点。目前，针对这一问题通常是从两个方面来进行研究的：（1）研发和设计性能优异的活性层材料，（包括给体和受体）以此来提高活性层对于太阳光子的吸收，产生高效的激子解离以及电子和空穴的运输；（2）进行器件工艺上的优化，包括给体和受体的组合，溶剂的选择，共混溶液的处理和活性层薄膜的处理等，通过器件结构的优化可以在很大程度上提高器件的性能。1.4有机太阳能电池受体材料的发展1.4.1富勒烯受体材料的发展有机太阳能电池的受体材料主要包括富勒烯及其衍生物和非富勒烯两种。其中非富勒烯受体又可以分为小分子受体和聚合物受体[48]。2015年前的有机太阳能电池普遍以富勒烯衍生物作为电子受体，其中最著名的是PC61BM和PC71BM（结
本文编号：3267279
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
有机太阳能电池的器件结构器件示意图[15]
全聚合物有机太阳能电池的研究6图1-2有机太阳能电池的工作原理示意图[35]Figure1-2WorkingmechanismschematicdiagramoftheOSCs[35]决定有机太阳能电池光电转换性能的因素包括开路电压（Open-circuitvoltage,Voc）、短路电流密度（Short-circuitcurrentdensity,Jsc）、填充因子（Fillfactor,FF）、能量转换效率（Powerconversionefficiency,PCE）以及外量子效率（externalquantumefficiency,EQE）[45]。具体可以用图1-3所示的有机太阳能电池的伏安特性曲线（J-V曲线）表示。（1）开路电压（VOC）：指的是太阳能电池器件在电流等于零或者外电路为开路时的电压。Voc是一个特征参数，随界面能（△EDA）的增加而增加，而界面能由给体的HOMO与受体的LUMO能极差决定[46]。所以，一般可用公式（1/e）（EDONORHOMO-EACCEPTORLUMO）/e-0.3V来表示开压，同时Voc也与复合动力学、饱和暗电流密度以及活性层的形貌等因素有关。通常可采用优化给体和受体的结构使之实现择优取向来减少构象紊乱来增加器件的Voc。（2）短路电流密度（JSC）:指的是太阳能电池外电路短路时或者电压等于零时的电流密度。器件的短路电流密度主要受活性层吸光能力的影响，但载流子的迁移率，活性层的形貌也是影响短路电流密度的因素[39]。（3）填充因子（FF）：指的是器件输出的最大功率与Voc和Jsc的乘积之比，跟J-V曲线的形状有很大关系。从定义上看影响到Voc和Jsc的因素也会影响到FF。如：活性层的形貌，载流子的迁移速率等[47]。（4）能量转换效率（PCE）:指的是器件的最大功率（Pmax）与光输入功率（Pin）的比值，即PCE==××/。Pin通常为模拟太阳光强度为AM1.5G时的光照功率值，约为1.5mWcm-2。通常以PCE数值的大小作为评价?
青岛科技大学研究生学位论文7（5）外量子效率（Externalquantumefficiency，EQE）：指的是在一定波长下，太阳能电池器件能够产生的电子数与入射光子数的比值。外量子效率的图谱揭示了太阳能电池器件对于不同波长的入射的响应。EQE通常也被视为验证电流是否可信的一个指标，一般高性能电池的EQE值也较高。图1-3太阳能的J-V曲线以及器件参数[46,47]Figure1-3J-Vcurveanddeviceparametersoforganicsolarcells[46,47]通过分析各参数之间的关系可以发现PCE的大小受到JSC，VOC，FF这三个参数的影响。所以有机太阳能电池的研究应以如何提高这三个参数为出发点。目前，针对这一问题通常是从两个方面来进行研究的：（1）研发和设计性能优异的活性层材料，（包括给体和受体）以此来提高活性层对于太阳光子的吸收，产生高效的激子解离以及电子和空穴的运输；（2）进行器件工艺上的优化，包括给体和受体的组合，溶剂的选择，共混溶液的处理和活性层薄膜的处理等，通过器件结构的优化可以在很大程度上提高器件的性能。1.4有机太阳能电池受体材料的发展1.4.1富勒烯受体材料的发展有机太阳能电池的受体材料主要包括富勒烯及其衍生物和非富勒烯两种。其中非富勒烯受体又可以分为小分子受体和聚合物受体[48]。2015年前的有机太阳能电池普遍以富勒烯衍生物作为电子受体，其中最著名的是PC61BM和PC71BM（结
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