聚合物小分子三元太阳能电池的制备其光伏性能研究

发布时间：2017-07-04 17:25

  本文关键词：聚合物小分子三元太阳能电池的制备其光伏性能研究

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【摘要】：世界范围内的能源短缺和环境污染问题日益严重,导致了各国对可再生能源和可持续能源的关注。其中最有希望的清洁能源是太阳能,太阳能具有具有清洁、可再生、安全等优点。经过多年的研究和探索,太阳能电池的发展取得了较大的进展。其中,本体异质结型有机太阳能电池因为其低成本、轻质量和可大面积加工制造等特点获得了广泛关注。尽管可溶液加工有机太阳能电池器件效率突破了10%,但是要实现有机光伏的产业化还需要更进一步的发展。有机太阳电池一个主要的限制是有机聚合物的吸收光谱相对于太阳光谱而言较窄。有机三元共混太阳电池作为一种新的概念因其可以有效地扩宽活性层的吸收光谱增加光的吸收,同时不会降低器件的开路电压等参数而成为研究热点。本论文以PTB7为给体材料研究了共混活性层中添加剂的加入对器件性能的影响。并研究了器件性能与活性层形貌之间的关系,并介绍了几种常用的活性层形貌表征方法。然后我们研究了PTB7,DTS和PC71BM构建的三元体异质结有机太阳能电池,并成功获得8.88%的高效器件。同时本文还研究了DTS敏化剂材料对器件性能的影响,通过研究对应的活性层形貌与光伏性能之间的关系,来寻找三元器件性能提升的原因。主要工作如下:第二章中,我们以PTB7作为给体材料,采用正常的器件结构制作二元异质结电池。通过调节DIO的添加比例优化器件性能,并从测试表征的角度介绍了研究活性层形貌的几种技术。分别是:透射电子显微镜(TEM),原子力显微镜(AFM)和掠入射广角X射线散射(GIWAXS)。另外,这些测试结果可以对后续试验中DTS对活性层形貌的作用提供参考和对比。第三章中,我们以p-DTS-(FBTTh2)2作为致敏剂,将它添加进PTB7:PC71BM本体异质结活性层中,制成PTB7:DTS:PC71BM三元共混器件。DTS因其合适的能级结构为三元体系提供互补的吸收光谱。三元电池器件获得了较高的短路电流和填充因子。其中PTB7:DTS:PC71BM在DIO添加比例为1%,PTB7:DTS质量比为18:2时获得最高效器件。器件在标准AM1.5光谱照射下器件能量转换效率为8.88%,对应的短路电流密度是17.79 mA cm-2,开路电压0.72V,填充因子是69.38%。与PTB7:PC71BM二元器件相比,三元器件的器件性能得到较大提升。为了探讨PTB7:DTS:PC71BM电池器件的光伏效率,一系列的添加不同比例DTS和DIO的PTB7:PC71BM器件被制作出来用于研究器件性能与成分比例之间的相关性。然后我们通过原子力显微镜、透射电子显微镜和掠入射广角散射等测试方法验证三元共混对活性层形貌,结构和相分离的影响。最终证明三元体系中的π-π堆积和结晶度的提升是短路电流和填充因子提升的原因。
【关键词】：溶液加工有机太阳能电池 小分子 三元共混
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-27
• 1.1 引言11-12
• 1.2 有机光伏电池发展12-14
• 1.3 有机光伏电池原理14-19
• 1.3.1 有机光伏电池等效电路14-15
• 1.3.2 有机光伏电池性能参数15-16
• 1.3.3 有机光伏器件光电流产生过程16-19
• 1.4 有机光伏电池优化方案19-23
• 1.4.1 有机光伏材料20-21
• 1.4.2 器件结构21-22
• 1.4.3 活性层形貌22-23
• 1.5 小分子敏化剂类三元电池发展23-26
• 1.5.1 小分子作为敏化剂的有机三元电池研究进展24-26
• 1.6 本论文主要研究内容26-27
• 第二章 有机太阳能电池的制备及测试表征27-45
• 2.1 聚合物太阳能电池的制备27-31
• 2.2 聚合物太阳能电池器件的光电性能31-33
• 2.2.1 测试标准——AM 1.531-32
• 2.2.2 光伏电池电流密度-电压曲线测试32
• 2.2.3 外量子效率与光敏强度测试32-33
• 2.3 紫外-可见-近红外吸收光谱测试33-34
• 2.4 以PTB7为例说明测试光伏器件形貌的常用方法34-43
• 2.4.1 PTB7性能简介34-35
• 2.4.2 DIO的添加量对器件性能的影响35-37
• 2.4.3 DIO的添加量与活性层形貌的影响——AFM37-39
• 2.4.4 DIO的添加量与活性层相分离程度关系——TEM39-40
• 2.4.5 DIO的添加量与活性层结晶性关系——GIWAX40-41
• 2.4.6 DIO的添加量与载流子迁移率的关系41-43
• 2.5 本章小节43-45
• 第三章 小分子敏化剂对聚合物共混体系的成晶作用45-63
• 3.1 引言45-46
• 3.2 实验细节46-47
• 3.2.1 实验材料46
• 3.2.2 活性层溶液制备46-47
• 3.2.3 紫外可见吸收光谱47
• 3.2.4 薄膜形貌表征47
• 3.2.5 器件制备和表征47
• 3.3 电子级联供体材料的作用47-50
• 3.3.1 三元电池运作机47-49
• 3.3.2 PTB7和DTS的串联电荷转移49-50
• 3.4 器件光电性能表现50-55
• 3.4.1 PTB7:PC71BM加入DIO，DTS三元器件的表现50-54
• 3.4.2 外量子效率54-55
• 3.5 紫外可见吸收光谱55
• 3.6 薄膜形貌研究55-61
• 3.6.1 三元活性层与二元活性层薄膜AFM图56-57
• 3.6.2 DIO为 0.5%时，，DTS对薄膜形貌影响AFM图对比57-59
• 3.6.4 三元活性层与二元活性层薄膜TEM图59-60
• 3.6.5 三元活性层与二元活性层薄膜GIWAXS图60-61
• 3.7 载流子迁移率61-62
• 3.8 本章小节62-63
• 结论63-64
• 参考文献64-75
• 攻读博士/硕士学位期间取得的研究成果75-76
• 致谢76-77
• 附件77

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本文编号：518692