高性能有机薄膜太阳能电池的制备与研究

发布时间：2018-01-08 10:25

本文关键词：高性能有机薄膜太阳能电池的制备与研究　出处：《电子科技大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：有机薄膜太阳能电池(Organic Solar Cells, OSCs),具有材料来源广泛、成膜性好、功能易于调制、制备工艺简单、可实现大面积柔性器件等突出优点,成为目前最具发展潜力的新一代太阳能发电技术。近几年来随着新材料的不断开发,新型器件结构的出现以及人们对器件内光物理过程的深入研究,OSCs器件得到了长足的发展,现已处于产业化的前期阶段。然而其较高的生产成本以及有待进一步提高的器件效率和稳定性,仍然需要继续发展高性能新材料和优化器件结构,并对器件光电转换过程和能量损失机理进行深入的研究。针对上述问题,本论文通过优化给体层材料性质、修饰有机层/电极界面以及开发新型受体材料,研究了提高器件效率的方法及其作用机理,为制备高效率器件打下了理论基础。同时,分析讨论了大面积器件效率降低的原因并提出了提高大面积器件性能的方法,为有机薄膜太阳能电池的产业化做了前期的铺垫。主要内容分为以下五个方面：1.给体层材料性质对器件填充因子(FF)的影响及作用机理采用Poole-Frenkel模型和载流子复活理论分析给体层材料空穴迁移率、最高占有分子轨道(HOMO)能级和厚度对器件FF的影响。研究发现,采用一种具有低HOMO能级的磷光材料bis[2-(4-tertbutylphenyl)benzothi azolato-N, C2,] iridium (acetylacetonate) ((t-bt)2Ir(acac))作为给体层,给体层材料较低的空穴迁移率是限制器件FF的主要因素。通过对机理进行分析发现,当给体层厚度大于空穴的传输距离时,器件内部载流子的复合增强,收集效率降低,导致FF减小,器件效率降低。因此提高给体层材料的空穴迁移率对改善FF和器件效率至关重要。通过在制备(t-bt)2Ir(acac)薄膜的过程中对基板进行加热,(t-bt)2Ir(acac)薄膜的空穴迁移率提高了一个数量级,使得(t-bt)2Ir(acac)/C6o器件的FF提高了26%,能量转换效率提高35%。2.有机受体层／阴极界面修饰对正型结构器件性能的影响采用一种新型的电子传输材料4-(5-hexylthiophene-2-yl)-2,6-bis(5-trifluoromethyl) thiophen-2-yl) pyridine (TFTTP)作为阴极缓冲层,研究TFTTP对基于boron-subphthalocyanine chloride (SubPc)/C6o异质结的正型结构器件性能的影响及作用机理。研究发现,TFTTP的最优化厚度为10 nm,器件效率由无缓冲层时的0.54%提高到1.25%,比基于常规bathocuproine (BCP)缓冲层器件的效率高20%。TFTTP缓冲层的主要作用是在C60和Ag之间形成保护层,减少激子在C60/Ag界面处的淬灭；使C60和Ag之间形成很好的欧姆接触,提高内建电场(Vbi),增加电荷转移激子(CTE)分离效率；减小C60和Ag之间的接触电阻,提高载流子的传输和收集效率。3.活性层/电极界面修饰对倒置型器件性能的影响采用碳酸铯(Cs2CO3)作为阴极缓冲层,氧化钼(MoO3)作为阳极缓冲层,制备了基于SubPc/C60异质结的倒置型结构器件,研究Cs2CO3和Mo03的厚度对器件性能的影响,并讨论了器件的稳定性。结果发现,通过引入Cs2CO3阴极缓冲层,器件效率提高了173%,Cs2CO3的主要作用是减小氧化铟锡(indium tin oxide, ITO)阴极和C60界面处的接触电阻,同时阻挡空穴传输,降低器件漏电流,而对器件的光吸收效率和激子分离效率没有影响。在对器件稳定性研究的过程中发现,倒置型器件的T50为1440 min,明显高于常规正型结构器件的135 min。这是因为倒置型器件有利于阻挡水和氧气分子向C60薄膜的扩散,从而改善器件的稳定性。4.低成本非富勒烯受体材料器件性能的研究采用新型受体材料perylene bisimides (di-PBI)代替常规富勒烯衍生物制备体异质结结构器件,研究了给体材料的选择、添加剂的使用、器件结构以及界面修饰对非富勒烯有机薄膜太阳能电池性能的影响。研究发现,采用具有二维(2D)分子结构的PBDTT-F-TT作为给体材料的器件效率明显高于采用一维分子结构poly[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-bA]dithiophene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]-thiophenediyl] (PTB7)作为给体材料的器件效率。采用二元添加剂1,8-diiodooctane (DIO)和1-chloronaphthalene (CN)可以有效改善体异质结的形貌,从而提高器件效率。并且光学仿真表明倒置型器件结构更有利于活性层中光场的分布和载流子的传输。此外,PC61BM自组装层(PC61BM-SAM)的引入可以有效钝化ZnO表面的陷阱态,减少载流子在界面处的复合,降低漏电流。通过上述研究,获得了效率高达6.0%的非富勒烯有机薄膜太阳能电池器件,其性能指标达到同类器件的国际领先水平,大幅度地降低了OSCs的生产成本。5.透明电极对大面积柔性器件性能的影响采用超薄金属薄膜(Ultra-Thin Metal Film, UTMF)取代ITO作为透明电极应用于大面积有机薄膜太阳能电池器件中,研究透明电极的导电性及面积对器件性能的影响。研究发现,大面积器件性能降低的主要原因来自于导电性较差的ITO电极所产生的较大的串联电阻。采用ZnO和11-mercaptoundecanioc acid (MUA)分别作为籽晶层和界面修饰层控制Ag薄膜的生长,制备了结构为Glass/ZnO/MUA/Ag的UTMF透明电极,使得UTMF电极的透过率提高30%,同时相比于传统的ITO电极(-15 Q/sq), UTMF的方阻(～5Ω/sq)降低了200%。因此,采用导电性高的UTMF作为透明电极并引入四周型辅助电极结构,有效地降低了器件的串联电阻,面积为10 cm2的poly(indacenodithiophene-co-phananthrene-quinoxaline) (PIDT-PhanQ):PC71BM体异质结器件的效率为3.07%,达到小面积器件(0.1 cm2)效率的58%。同时相比于基于ITO电极的柔性器件,采用UTMF电极的柔性器件的效率提高了115%。
[Abstract]:In recent years , with the development of new materials , the appearance of new device structure and the research on the mechanism of device efficiency and stability , it is necessary to continue developing high - performance new materials and optimizing device structure . The effect of Cs2CO3 and Mo03 on the performance of the device was investigated . The results showed that the effect of the active layer / electrode interface modification on the performance of the device was improved by 173 % . The effect of the active layer / electrode interface modification on the performance of the device was improved . The effect of the active layer / electrode interface modification on the performance of the device was improved . The effect of transparent electrode on the properties of large area organic thin film solar cells was studied by using ultra - thin metal film ( UTMF ) instead of ITO as transparent electrode .

【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.42

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