新型有机聚合物太阳能电池的结构设计及性能优化

发布时间：2017-04-28 19:07

  本文关键词：新型有机聚合物太阳能电池的结构设计及性能优化，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：有机太阳能电池(OSCs,Organic Solar Cells)具有柔性、成本低、可大面积制作等优点,对从根本上解决环境污染和能源短缺问题具有重大意义。但是,与无机太阳能电池相比,有机太阳电池的效率还是偏低,离产业化的要求还有较大差距。根据有机太阳能电池的工作机理,目前大量的研究工作主要集中在通过改善材料光吸收,调制激子传输、增加激子解离,增强载流子传输及抽取效率这三个方向来提高OSCs的效率。体异质结网络结构的提出是一个重大突破,通过增加给体和受体的接触界面,大大提高了激子到达界面并解离的几率,使体异质结有机太阳能电池效率得到显著提高。但是,体异质结网络结构中由于材料对电子和空穴传输能力不同,解离后的载流子传输和收集效率不高,如果这一缺点得以改善,体异质结结构的光伏器件的效率会有新的突破。本文结合有机薄膜晶体管第三端可以形成强电场且低功耗的特点,设计制备具有三端结构的有机聚合物太阳能电池,在器件内实现了可调制的强电场,通过强电场提高载流子传输,增加激子解离率,提高了电池的能量转换效率。实验中通过第三端对PTB7:PC70BM聚合物太阳能电池施加电压,当偏压为2.0V时,能量转换效率提高了19%,达到8.1%。通过激子解离率、载流子迁移率的计算,讨论了强电场对活性层中激子的产生、解离以及载流子传输的作用。同时,对于这一新型器件结构在实际应用中的可行性也进行了讨论。同时我们对通过增加光吸收来提高电池效率也进行了探索。三端电极结构主要通过强电场改善器件激子解离、载流子传输等电学性能,如果再结合光吸收的增加,应该可以进一步提高电池效率。稀土离子通常具有优良的光谱上、下转换作用,因此我们选择掺杂稀土离子来拓宽聚合物太阳能电池的吸收光谱,从光学性能方面提高太阳能电池的效率。实验中,我们在P3HT:PCBM聚合物太阳能电池的阳极缓冲层和活性层界面中间掺杂NaYF4:Eu3+稀土离子,发现当浓度为0.0025mmol/ml时,器件性能得到明显改善,能量转换效率由2.43%提高到2.70%,提高11%以上。
【关键词】：聚合物太阳能电池 强电场 激子解离率 载流子迁移率 下转换
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-26
• 1.1 有机太阳能电池概况10-11
• 1.2 有机太阳能电池的基本结构11-14
• 1.3 有机太阳能电池的材料14-17
• 1.3.1 有机小分子太阳能电池材料14-15
• 1.3.2 有机聚合物太阳能电池材料15-16
• 1.3.3 D-A体系材料16-17
• 1.4 有机太阳能电池的工作原理及性能参数17-22
• 1.4.1 有机太阳能电池工作原理17-19
• 1.4.2 有机太阳能电池性能参数19-22
• 1.5 新型太阳能电池22-24
• 1.5.1 量子点太阳能电池22
• 1.5.2 热载流子太阳能电池22-23
• 1.5.3 热光伏太阳能电池23
• 1.5.4 钙钛矿太阳能电池23-24
• 1.6 本论文的研究目的、意义及主要内容24-26
• 第二章 聚合物太阳能电池的制备工艺26-36
• 2.1 实验材料及器件结构26-28
• 2.2 制备流程28-30
• 2.2.1 ITO基片处理28
• 2.2.2 配制活性层溶液28-29
• 2.2.3 旋涂工艺29-30
• 2.2.4 热蒸镀工艺30
• 2.3 器件性能测试30-34
• 2.4 本章小结34-36
• 第三章 三端电极结构的新型有机太阳能电池36-54
• 3.1 三端电极结构的设计37-38
• 3.2 绝缘层材料选择38-41
• 3.2.1 SiO2作为绝缘层38-39
• 3.2.2 PMMA作为绝缘层39-40
• 3.2.3 PVP作为绝缘层40-41
• 3.3 电场强度量化41-42
• 3.4 器件制备42-43
• 3.5 结果与讨论43-52
• 3.5.1 外加偏压对器件J-V特性的影响43-45
• 3.5.2 外加偏压对器件激子解离率的影响45-47
• 3.5.3 外加偏压对载流子传输性能的影响47-48
• 3.5.4 外加偏压对器件暗态性能的影响48-50
• 3.5.5 器件性能参数的理论计算50-51
• 3.5.6 三端结构的可行性分析51-52
• 3.6 本章小结52-54
• 第四章 稀土下转换材料对有机太阳能电池性能的影响54-62
• 4.1 P3HT:PCBM聚合物太阳能电池薄膜吸收特性54-55
• 4.2 下转换材料概念及制备方法55-56
• 4.3 下转换材料对P3HT:PCBM聚合物太阳能电池性能的影响56-61
• 4.3.1 器件制备57-58
• 4.3.2 结果分析58-61
• 4.4 本章小结61-62
• 第五章 总结与展望62-64
• 参考文献64-72
• 致谢72-74
• 硕士期间研究成果74

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