聚合物太阳能电池器件结构与性能研究

发布时间：2017-08-04 02:03

  本文关键词：聚合物太阳能电池器件结构与性能研究

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【摘要】：聚合物太阳能电池具有加工便利、成本低廉以及环境友好等诸多优点,已成为国际上的研究热点。尽管目前其相应的光电转化效率已经超过10%,但是仍然不能满足商业化的要求。设计合成更高效率的光伏聚合物材料,发展新的器件结构、器件加工工艺和技术是提高器件性能的有效途径。本论文以几种不同体系的聚合物光伏材料为对象,系统地开展了器件制备工艺的研究和优化工作,以揭示材料结构、器件制备工艺与器件性能之间的关系。主要研究的内容和结果如下：1设计合成了三种分别不含氟、含一个氟和两个氟功能取代基的喹喔啉-噻吩类共轭聚合物,对比研究了氟功能取代基对相应聚合物性能的影响规律。研究发现,具有强吸电能力的氟功能取代基,对聚合物的LUMO能级几乎没有影响,但可以降低其HOMO能级,从而提高光伏器件的开路电压；可以诱导聚合物分子链重新排列取向,使器件活性层薄膜的形貌形成更加有利于电荷分离和传输的纳米尺度相分离的互穿网络结构。因此随着引入的氟原子数目的增加,喹喔啉-噻吩类共轭聚合物的光伏性能逐渐提高。经过系统的器件制备工艺优化,以上述三种聚合物制备的单层BHJ电池的效率分别达到了2.82%、4.14%和5.19%。2以苯并二噻吩上带有两种不同侧链取代基的聚苯并二噻吩-喹喔啉类共轭聚合物为活性层给体材料,制备单层BHJ结构的太阳能电池,并系统研究了热退火、添加剂、甲醇处理以及阴极修饰层四种不同的器件制备工艺和条件对其性能的影响。结果显示,上述几种不同的器件加工制备工艺都有各自的作用机制实现性能优化,因此可以通过改变制备工艺,以实现调控器件性能参数的平衡,提高器件的光伏性能的目的。综合利用上述四种制备工艺对器件进行系统地优化后,基于两种不同的苯并二噻吩-喹喔啉类共轭聚合物制备的BHJ电池的最高效率分别达到7.88%和8.51%,表明各种先进的器件制备工艺和后处理等优化手段的联合利用,可以极大地提高聚合物光伏器件的性能。3分别以未封端处理的联二噻吩-并吡咯二酮共轭聚合物,以及采用噻吩、喹喔啉卟啉和喹喔啉卟啉锌对其进行封端改性的四种聚合物为对象,通过制备相应的光伏器件,详细地研究了封端效应对聚合物光伏性能的影响。研究结果显示,封端能够消除聚合物分子端基的缺陷,从而改善其器件的光伏性能；喹喔啉卟啉封端剂的使用,不但消除了分子端基的缺陷,而且增强了聚合物在短波方向吸收能力,因此有效地提高了聚合物的光伏效率。研究了热退火、DIO溶剂添加剂,以及DIO和联二吡啶二元复合添加剂后处理技术和工艺对器件活性层薄膜微观形貌结构,继而对其器件性能的影响规律,发现联吡啶新型溶剂添加剂上的氮原子可以和卟啉环上的锌之间发生配位作用,从而提高聚合物分子链的排列规整度,并对共混膜中光伏聚合物的形貌起到锁合固定作用,因此明显改善了器件的能量转换效率和稳定性。经过器件加工工艺的系统优化,以未封端、采用噻吩封端、采用喹喔啉卟啉封端以及采用喹喔啉卟啉锌封端的四种联二噻吩-并吡咯二酮类聚合物制备的太阳能电池器件的转化效率分别达到1.48%、2.45%,3.95%和4.45%,器件热老化后的能量转换效率保持率从未使用联二吡啶的61%提高到了76%。
【关键词】：聚合物 太阳能电池 器件工艺 形貌结构 封端
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-16
• 第一章 绪论16-36
• 1.1 太阳能电池的发展背景16
• 1.2 太阳能电池的发展历史16-18
• 1.3 太阳能电池的原理及性能表征18-23
• 1.3.1 聚合物太阳能电池的原理18-19
• 1.3.2 聚合物太阳能电池的性能表征19-23
• 1.4 太阳能电池结构23-26
• 1.4.1 单层与双层结构23-24
• 1.4.2 本体异质结结构24-25
• 1.4.3 叠层器件与三元器件结构25-26
• 1.5 太阳能电池材料26-31
• 1.5.1 电极材料26-27
• 1.5.2 空穴和电子传输层材料27
• 1.5.3 活性层材料27-31
• 1.6 太阳能电池器件31-34
• 1.6.1 器件制备31-33
• 1.6.2 性能表征33-34
• 1.6.3 常用试剂34
• 1.7 课题及研究内容34-36
• 第二章 氟代喹喔啉-噻吩类聚合物光伏性能36-50
• 2.1 引言36
• 2.2 实验部分36
• 2.2.1 材料与试剂36
• 2.2.2 器件制备与表征36
• 2.3 结果与讨论36-47
• 2.3.1 氟代喹喔啉噻吩的基本性质36-39
• 2.3.2 光学性质39-40
• 2.3.3 电化学性质40-42
• 2.3.4 光伏性质42-46
• 2.3.5 微观结构46-47
• 2.4 本章小结47-50
• 第三章 苯并二噻吩-喹喔啉类聚合物光伏性能50-62
• 3.1 引言50
• 3.2 实验部分50
• 3.2.1 材料与试剂50
• 3.2.2 器件制备与表征50
• 3.3 结果与讨论50-61
• 3.3.1 苯并二噻吩喹喔啉类共轭共聚物基本性质50-52
• 3.3.2 光学性能52-53
• 3.3.3 光伏性能和器件优化53-61
• 3.4 本章小结61-62
• 第四章 卟啉封端对联二噻吩-并吡咯二酮类共轭聚合物光伏性能的影响62-72
• 4.1 引言62
• 4.2 实验部分62-63
• 4.2.1 材料与试剂62
• 4.2.2 器件制备与表征62-63
• 4.3 结果与讨论63-70
• 4.3.1 联二噻吩-并吡咯二酮类共轭聚合物基本性质63-64
• 4.3.2 光学性质64-65
• 4.3.3 光伏性能65-68
• 4.3.4 形貌结构68-70
• 4.4 本章小结70-72
• 第五章 结论72-74
• 参考文献74-80
• 致谢80-81
• 研究成果及发表的学术论文81-82
• 作者及导师介绍82-83
• 附件83-84

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