当前位置:主页 > 科技论文 > 电力论文 >

静电纺丝导电纳米纤维及聚合物太阳能电池溶液加工研究

发布时间:2018-03-07 23:12

  本文选题:聚合物太阳能电池 切入点:溶液加工性 出处:《南昌大学》2014年博士论文 论文类型:学位论文


【摘要】:聚合物太阳能电池经过近二十年的研究,已经在活性层材料设计、活性层形貌控制、界面修饰、透明电极等领域取得了很大进展。目前光电转换效率(PCE)最高的聚合物太阳能电池已经达到商业化应用要求。除了获得更高的效率、探寻统一的器件物理解释之外,人们开始更多的关注器件性能的稳定性。聚合物太阳能电池的溶液加工与大面积低成本制备工艺兼容,成为了新的焦点问题。为此对缓冲层材料和金属电极材料的化学稳定性和溶液加工性提出了新的要求。本论文主要围绕聚合物太阳能电池组成材料的溶液加工方法进行研究,,包括活性层材料、界面层材料和金属电极材料。此外还涉及一些器件物理以及阴极缓冲层材料的探索工作。论文的内容包括: 1.实现了纯聚[2-甲氧基-5(2’-乙基)己氧基-1,4-苯撑乙烯](MEH-PPV)静电纺丝的连续制备。以氯仿/异丙醇混合溶剂进行电纺的优势在于,避免了非挥发性杂质对光电器件性能产生的负面影响。上述二元溶剂中劣溶剂异丙醇的加入增加了MEH-PPV电纺溶液的可纺性。劣溶剂的主要作用是增加分子链间相互作用、提高溶液电导率、降低溶液表面张力。对MEH-PPV溶液和薄膜紫外荧光性能的研究发现,溶剂能够显著改变MEH-PPV链间的相互作用使紫外吸收峰发生移动。纯MEH-PPV取向纤维在偏振荧光发光峰处的偏振比为5.9,各向异性值为0.47。上述数值明显高于各向同性材料,说明高分子链优先沿着电纺丝的长度方向排列。在MEH-PPV中混入聚己内酯(PCL)之后,所得混合纤维的偏振比和各向异性值分别增加到11和0.66。这是因为PCL的引入减少了MEH-PPV之间的能量传递。纯MEH-PPV电纺丝的直径在300nm至1100nm之间,将其电纺膜用作聚合物太阳能电池活性层效果不佳。原因有电纺膜厚度较厚,存在着孔隙以及相分离控制困难的问题。静电纺丝制备的共轭聚合物一维结构更适于单丝器件的制备。 2.以聚合物电纺丝作为模板,通过蒸镀金属并去除聚合物得到了可用于透明电极的金属网络。使用的聚合物有,聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚己内酯(PCL)和聚丙烯酸(PAA)。制得性能最优的Ag网络具有和ITO相当的电导性以及在300nm~1100nm范围内70%的透过率,基本满足透明电极的要求。将Ag网络用于制备P3HT:PC61BM聚合物太阳能电池,所得器件效率最高为2.0%。高于PH1000作电极的器件,低于ITO电极的器件。主要原因是Ag网络表面粗糙度较大,PH1000的厚度需要优化以降低电极的表面粗糙度,减少漏电的发生以进一步提高填充因子等性能参数。 3.将一种可溶液加工的铁电聚合物——聚偏氟乙烯六氟丙烯(P(VDF-HFP))用作聚合物太阳能电池的电极缓冲层。P(VDF-HFP)具有良好的成膜性、稳定的化学性质、广泛的商业来源并能提供可控的界面偶极。紫外光电子能谱和功函数测试表明,溶剂处理和P(VDF-HFP)都能在退火的P3HT:PC61BM表面引入附加偶极,使活性层/金属界面更有利于阴极接触。使用P(VDF-HFP)进行阴极界面修饰的效果略高于含有LiF的器件。考虑到P(VDF-HFP)能够对外界电场做出响应并改变偶极方向,我们将其用于反向器件的阳极缓冲层。所得反向器件在一开始具有很低的效率,但是随着Ag电极的氧化和P(VDF-HFP)的正极化过程,器件效率逐渐升高,最终和蒸镀MoO3的标准器件PCE相当。在稳定性上,含有P(VDF-HFP)的器件高于其他类型的器件。器件放置120天后,含有P(VDF-HFP)并经历正极化的器件PCE为2.4%,高于含有MoO3的标准器件。我们使用整体电荷转移(ICT)模型解释了偶极与表面真空能级移动、电极接触之间的关系。对P(VDF-HFP)作用的机理进行了理论解释,由此说明P(VDF-HFP)通过简单的电场极化调控能够成为通用的缓冲层材料。 4.对聚合物太阳能电池的阴极界面修饰进行了一些探索。对于反向电池的阴极修饰层ZnO,通过plasma处理能够提高器件的开路电压和填充因子,使电池PCE提高。其作用机理可能与plasma的清洁作用或新生成的含氧基团有关。将聚偏氟乙烯(PVDF)或P(VDF-HFP)旋涂在ZnO的表面能够提高器件的开路电压和稳定性。正极化过程则能使器件的开路电压进一步提高。我们还探索了一些材料用作正向电池阴极修饰层的可能性,包括富含羟基的D-甘露糖醇、富含氨基的三聚氰胺、含有羟基和羧基的D-丝氨酸、NaCl、KBr、PVDF和P(VDF-HFP)。其中甘露糖醇有阴极缓冲层的作用,但效果低于LiF。而NaCl、KBr、PVDF和P(VDF-HFP)则具有和LiF等同的效果。在阴极一侧引入Ag等离子体能使器件性能相对提高10%。
[Abstract]:Polymer solar cells after nearly twenty years of research, has been in the design of active layer material, active layer morphology control, interface modification, transparent electrodes and other fields have made great progress. At present, the photoelectric conversion efficiency (PCE) of polymer solar cells has reached the highest commercial application requirements. In addition to obtain high efficiency, explore the physical unity the explanation, people began to pay attention to the stability of device performance more. Solution processing and large area of polymer solar cell and low cost preparation process compatible, has become the focus of new problems. This puts forward new requirements on the chemical stability of buffer layer material and the metal electrode material and solution processing. To study the solution processing method this paper is mainly composed of polymer solar cell materials, including active layer material, interface layer and metal electrode materials. It has involved And some device physics and the exploration of cathode buffer layer materials. The contents of this paper include:
1. to achieve a pure poly [2- methoxy -5 (2 '- ethyl Hexyloxy) 1,4-phenylenevinylene] -1,4- (MEH-PPV) continuous preparation of electrospinning. In chloroform / isopropanol mixed solvent for electrospinning is to avoid the negative effects of non volatile impurities on the photoelectric device performance of the two. In poor solvent isopropanol solvent adding to the electrospun MEH-PPV the spinnability of the solution. The main role is to increase the poor solvent interaction between molecular chains, enhance the conductivity of solution, reducing the surface tension of solution. Research on ultraviolet fluorescence properties of MEH-PPV solution and film, solvent can significantly change the interaction between MEH-PPV chains the ultraviolet absorption peak shift. Polarization peaks of pure MEH-PPV fiber orientation in polarized fluorescence at the ratio of 5.9, the numerical value of 0.47. anisotropy was significantly higher than that of isotropic material that preferentially along the electrospinning of polymer chain The length direction. Mixed with polycaprolactone (PCL) in MEH-PPV, the mixing ratio of the fiber and the polarization anisotropy values were increased to 11 and 0.66. this is because of the introduction of PCL to reduce the MEH-PPV energy transfer. The diameter of electrospun pure MEH-PPV between 300nm and 1100nm, the electrospun membrane used polymer solar cell active layer effect. Because electrospun membrane thickness, there are pores and control of phase separation. The difficult problem of one-dimensional structure of conjugated polymer electrospun monofilament is more suitable for device fabrication.
2. by electrospinning polymer as template by metal deposition and removal of polymer obtained can be used for metal network transparent electrodes. Using polymer, polyvinylpyrrolidone (PVP), polycaprolactone (PCL) and polyacrylic acid (PAA) was prepared. The optimal performance of the Ag network and ITO has considerable electrical conductivity as well as in the 300nm ~ 1100nm range and 70% transmittance, basically meet the requirement of transparent electrodes. The Ag network is used for the preparation of P3HT:PC61BM polymer solar cells, the efficiency of the device was the highest device 2.0%. is higher than that of PH1000 electrode, ITO electrode is lower than the device. The main reason is the Ag network greater surface roughness PH1000 thickness need to be optimized to reduce the electrode surface roughness, reduce the leakage occurred in order to further improve the filling factor and other performance parameters.
3. a solution process of ferroelectric polymer - poly vinylidene fluoride hexafluoropropylene (P six (VDF-HFP)) electrode buffer layer.P as the polymer solar cell (VDF-HFP) has excellent film-forming properties, stable chemical properties, extensive commercial sources and can provide controllable interfacial dipole. Ultraviolet photoelectron spectroscopy and the work function test shows that the solvent and P (VDF-HFP) can introduce additional dipole on the surface of P3HT:PC61BM annealing, the active layer / metal interface is more conducive to the cathode contact. The use of P (VDF-HFP) cathode interfacial modification effect is slightly higher in devices with LiF. Considering the P (VDF-HFP) to the external electric field respond to and change the direction of the dipole, we will use it to reverse the anode buffer layer device. The reverse device has very low efficiency in the beginning, but with the oxidation and P Ag electrode (VDF-HFP) is the process of polarization, the device. The rate increased gradually, and the final standard device PCE MoO3 steam plating. In stability, containing P (VDF-HFP) of the device is higher than that of other types of devices. Devices placed 120 days, containing P (VDF-HFP) and positive polarization device PCE is 2.4%, higher than the standard device containing MoO3. We use the whole charge transfer (ICT) model to explain the surface dipole and the vacuum level relationship between the moving electrode contact. The P (VDF-HFP) mechanism are explained, which indicates that P (VDF-HFP) by electric field polarization can be simple regulation of buffer material universal.
The exploration of cathode interface modification of 4. polymer solar cells. The cathode reverse battery of the modified layer by ZnO, plasma treatment can improve the device open circuit voltage and the fill factor, the battery PCE increased. The mechanism may be related to oxygen containing groups cleaning effect of plasma or new generation. Polyvinylidene fluoride (PVDF) or P (VDF-HFP) surface spin coating on ZnO can improve the open circuit voltage and the stability of the device. It can make the process of polarization devices to further improve the open circuit voltage. We also explored some possibility of modification layer of cathode material used as positive cells, including hydroxyl rich D- mannose rich amino alcohol, melamine, D- serine, hydroxyl and carboxyl groups of NaCl, KBr, PVDF and P (VDF-HFP). The mannitol cathode buffer layer, but the effect is lower than that of LiF. and NaCl, KBr, PVDF and P (VDF-HFP) is The effect of LiF is equal to that of LiF. The introduction of Ag plasma on the side of the cathode can improve the performance of the device relative to 10%.

【学位授予单位】:南昌大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TM914.4

【共引文献】

相关期刊论文 前10条

1 陈艳;费燕娜;王银利;王鸿博;高卫东;;醋酸纳米纤维膜的制备及性能表征[J];材料导报;2010年S1期

2 ;NANOFIBROUS MATS WITH BIRD'S NEST PATTERNS BY ELECTROSPINNING[J];Chinese Journal of Polymer Science;2012年01期

3 王哲;李秀艳;王娇娜;李从举;;激光熔体静电纺丝法制备PLA/EVOH复合纤维[J];材料导报;2013年10期

4 丁义纯;谢成宸;朱健;朱永梅;彭信文;侯豪情;;静电纺丝法制备低渗流阈值聚酰亚胺/炭黑导电复合材料[J];高分子材料科学与工程;2013年09期

5 刘菁;王鑫;;影响静电纺丝电场强度的因素分析[J];纺织学报;2013年10期

6 Maryam Bazhban;Mahdi Nouri;Javad Mokhtari;;ELECTROSPINNING OF CYCLODEXTRIN FUNCTIONALIZED CHITOSAN/PVA NANOFIBERS AS A DRUG DELIVERY SYSTEM[J];Chinese Journal of Polymer Science;2013年10期

7 史杏娟;蔡志江;;静电纺丝法制备纤维素纳米纤维的研究进展[J];高分子通报;2013年08期

8 赵亮;徐艳丽;何孟;李敏;陈雨晴;;双层蛛丝蛋白血管支架的体外降解研究[J];功能材料;2013年18期

9 于宾;焦晓宁;王忠忠;;静电纺锂离子电池隔膜改性研究现状[J];产业用纺织品;2013年09期

10 赵楚楚;田龙;潘志娟;;提高静电纺纳米纤维力学性能的方法[J];产业用纺织品;2013年11期

相关会议论文 前10条

1 张迪;李青山;张岩;赵立娇;;PVA基稀土纳米纤维的制备与红外分析[A];全国第十四届红外加热暨红外医学发展研讨会论文及论文摘要集[C];2013年

2 姜潜远;马凯凯;蒋之铭;任学宏;黄东时;;二苯基甲烷二异氰酸酯交联抗菌纳米醋酯纤维的制备[A];第九届中国抗菌产业发展大会论文集[C];2013年

3 曹镛;吴宏滨;黄飞;陈军武;;聚合物异质结太阳电池-进展与展望(摘要)[A];“广东省光学学会2013年学术交流大会”暨“粤港台光学界产学研合作交流大会”会议手册论文集[C];2013年

4 焦伟祥;陈微微;雷鸣;陈希文;;醇溶性n型自掺杂富勒烯铵[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第25分会:有机光伏[C];2014年

5 黄红艳;傅妮娜;刘书利;李劝;赵保敏;黄维;;基于S-和N-杂环小分子材料的合成、表征[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第16分会:π-共轭材料[C];2014年

6 陈立桅;;能源纳米器件中的材料与界面研究[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第37分会:能源纳米科学与技术[C];2014年

7 潘杰峰;葛亮;林小城;吴亮;伍斌;徐铜文;;基于静电纺丝技术的新型阳离子交换膜的制备并应用于冶金工业中碱回收[A];第四届全国膜分离技术在冶金工业中应用研讨会论文集[C];2014年

8 路胜利;胡桂林;李国能;张邦虎;;原位电化学聚合杂化太阳能电池光伏性能研究[A];能源高效清洁利用及新能源技术——2012动力工程青年学术论坛论文集[C];2013年

9 姚理荣;任娟;石琳;徐山青;;纳米纤维毡复合材料制备及其吸声性能研究[A];全国织造新产品开发学术研讨会暨2014织造年会论文集[C];2014年

10 陈立桅;;能源纳米器件中的材料和界面研究[A];第十三届固态化学与无机合成学术会议论文摘要集[C];2014年

相关博士学位论文 前10条

1 王先锋;静电纺纤维膜的结构调控及其在甲醛传感器中的应用研究[D];东华大学;2012年

2 陈大竞;纳米聚合物单纤维传感器研究[D];浙江大学;2011年

3 冷静;一维钙钛矿氧化物纳米结构材料的制备及形貌和物性研究[D];吉林大学;2010年

4 薛雅;p型ZnMgO薄膜器件相关性能研究和Ga掺杂ZnO薄膜表面处理[D];浙江大学;2013年

5 邱薇薇;功能聚合物光纤器件研究[D];中国科学技术大学;2013年

6 乔丽;纳米结构硅/碳复合材料的制备及其储锂性能的研究[D];兰州大学;2013年

7 申小娟;基于硅纳米线阵列的有机/无机杂化光伏电池的制备及性能表征研究[D];苏州大学;2013年

8 刘晓东;通过界面修饰改善聚合物太阳能电池性能的研究[D];北京交通大学;2013年

9 陈征;喷涂法制备聚合物太阳能电池器件研究[D];北京交通大学;2013年

10 杜凡凡;含多面齐聚倍半硅氧烷的荧光聚合物的设计、合成与应用[D];中国科学技术大学;2013年

相关硕士学位论文 前10条

1 杨尚斌;聚丙烯酸超细纳米蛛网的制备及成形机理研究[D];东华大学;2011年

2 王慧;环保性静电纺醋酸纤维素的制备与性能研究[D];东华大学;2011年

3 马准;静电成型聚合物纳米纤维结晶行为与结晶结构的研究[D];东华大学;2011年

4 陈艳;静电纺PLA/姜黄素复合薄膜的制备及其性能研究[D];江南大学;2011年

5 孙霞;稀土钙钛矿型氧化物纳米带的制备及光催化性质研究[D];长春理工大学;2011年

6 黄赋;纳米纤维膜固定化酶及其酶—膜反应器的构建与性能研究[D];浙江大学;2010年

7 高萍;静电纺丝技术制备稀土硫化物低维纳米材料与表征[D];长春理工大学;2012年

8 李敏暄;静电纺聚氨酯/单壁碳纳米管纤维膜的制备与性能研究[D];东华大学;2013年

9 张佳旗;脉冲激光沉积制备氧化物薄膜及其光电性质的研究[D];吉林大学;2013年

10 王朋;纳米结构硅材料的制备及其在锂离子电池中的应用研究[D];兰州大学;2013年



本文编号:1581379

资料下载
论文发表

本文链接:https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlilw/1581379.html


Copyright(c)文论论文网All Rights Reserved | 网站地图 |

版权申明:资料由用户4df06***提供,本站仅收录摘要或目录,作者需要删除请E-mail邮箱bigeng88@qq.com