反型有机太阳能电池的电极修饰研究

发布时间：2019-02-25 11:28

【摘要】：近年来，由于有机太阳能电池成本低、重量轻、可制备为柔性器件和易于加工等优点，受到了广泛的关注，成为太阳能电池领域内的研究热点。通过对不同活性材料的研究和电池结构的改进，使有机太阳能电池的性能有所突破，其光电转换效率已超过10%。 一般正型有机太阳能电池的基本结构为：ITO/PEDOT:PSS/有机活性层/LiF/Al。3，4-乙撑二氧噻吩单体聚合物：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）被用作空穴传输层，但聚苯乙烯磺酸盐（PSS）是酸性物质对ITO表面有腐蚀作用，影响电池的稳定性。反型结构太阳能电池针对传统有机太阳能电池的缺陷，进行结构上的创新改造，使电池的稳定性进一步提高。本论文以反型有机太阳能电池为研究对象，制备了Zn掺杂TiOx和rGO/TiO2复合膜作为电子传输层，PEDOT:PSS和MoO3作为空穴传输层的反型有机太阳能电池。研究这些电极修饰对反型有机太阳能电池性能的影响，通过阻抗谱的分析，揭示电极修饰对有机反型太阳能电池的载流子输运和收集的物理机制。 本论文主要包括以下内容： 第一章，有机太阳能电池的研究现状、工作原理和性能参数及本论文的研究意义。 第二章，ZnTiOx复合薄膜作为电子传输层对反型有机太阳能电池性能的影响。本章制备的器件结构为： ITO/ZnTiOx/P3HT:PCBM/PEDOT:PSS/Au。其中活性层为P3HT:PCBM，用溶胶凝胶法在ITO玻璃衬底制备不同Zn/Ti原子比的TiOx作为电子传输层，用PEDOT:PSS旋涂在活性层上作为空穴传输层，制备反型有机太阳能电池。由器件的J-V特征曲线得出，效率最高的电池是Zn/Ti原子比为0.8%的器件。其光电转换效率为3.39%，相比于没有掺Zn的电池（PCE=2.51%）增加了35%。ZnTiOx的AFM图像表明，Zn/Ti原子比为0.8%的器件上有很多锌纳米棒在ITO衬底上垂直生长。具有一维几何尺寸的电极，增加了活性层与电极的比表面积，提高了电子的收集率，减少了电子的复合。由霍尔测量显示，掺入锌后，电子迁移率明显增加。电池的电化学阻抗分析表明，Zn/Ti原子比为0.8%的器件有最小的电阻、最小的电荷传输时间常数。电子在有机活性层和ITO阴极界面处传输速度的提高，增大了反型有机太阳能电池的短路电流密度，提高电池的光电转换效率。 第三章，ZnTiOx复合薄膜作为电子传输层MoO3作为空穴传输层对反型有机太阳能电池性能的影响。由于PEDOT:PSS制备工艺复杂，材料价格高等存在的问题。将PEDOT:PSS换成MoO3，将Au换成成本较低的Ag作为阳极，制备反型有机太阳能电池。其结构为ITO/ZnTiOx/P3HT:PCBM/MoO3/Ag。由器件J-V特性曲线得出，效率最高的电池Zn/Ti原子比率为0.8%。有机太阳能电池在0.8%锌掺杂TiOx功率转换效率为3.64%，与没有掺杂Zn的TiOx的电池（PCE=3.03%）相比，光电转换效率提高了20%。用MoO3/Ag做阳极比用PEDOT:PSS/Au做阳极的电池的开路电压增大，光电转换效率提高。电池表现了更好的光电性能。电化学阻抗分析表明，Zn/Ti原子比为0.8%的器件有最小的电阻、最小的电荷传输时间常数，表明电子在有机活性层和ITO阴极界面处传输速度的提高，增大了反型有机太阳能电池的短路电流密度，提高电池的光电转换效率。 第四章，rGO/TiO2复合薄膜作为电子传输层对反型有机太阳能电池性能的影响。本章制备的器件结构为： ITO/rGO:TiO2/P3HT:PCBM/PEDOT:PSS/Au。活性层为P3HT:PCBM，电子传输层为rGO/TiO2。首先用密闭氧化法制备了氧化石墨烯(GO)，由AFM图像可知，制备出了单层的氧化石墨烯（GO），厚度约为0.8nm，这与很多文献的报道是一致的。由rGO/TiO2复合薄膜的XPS能谱证实，在合成rGO/TiO2复合薄膜的过程中由氧化石墨烯（GO）变为rGO。用rGO/TiO2复合薄膜为电子传输层制备的反型有机太阳能电池，其光电装换效率为2.7%，TiO2作为电子传输层的电池效率为2.5%，两者相比，效率提高了8%。电池的阻抗谱表明，用掺杂GO的TiO2复合薄膜作为电子传输层，电子收集的效率有明显的提高，增大了电池的开路电压，从而提高电池的光电转换效率。在实验室环境下，本章中制作的反型太阳能电池效率90天的衰减为初始值的72.6%。说明所制备的电池具有良好的稳定性。 第五章，rGO/TiO2复合薄膜作为电子传输层MoO3作为空穴传输层对反型有机太阳能电池性能的影响。本章制备的电池结构为：ITO/rGO:TiO2/P3HT:PCBM/MoO3/Ag。在这一章中，用NaOH溶液做为还原剂，将氧化石墨烯（GO)还原为rGO，把rGO水溶液在TiO2溶胶制备的过程中与其复合，在ITO导电玻璃上制备出掺rGO的复合薄膜，它比纯TiO2薄膜有更加优良的性质。由器件J-V曲线得出，，所有加rGO的电池效率都有很大程度的提高，最优的器件为加入rGO含量为0.83%mg/ml的TiO2溶液制作的复合薄膜制备的电池，其光电转换效率为3.82%，与不加rGO器件光电转换效率为3.03%相比，电池的光电转换效率提高了26%。rGO具有良好的导电性，它与TiO2复合后，可以有效地阻止电荷复合，提高电子收集效率，从而提高整个电池的效率。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4

【共引文献】

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本文编号：2430113