基于双阴极界面修饰和活性层掺杂的有机太阳能电池的研究

发布时间：2020-05-23 15:33

【摘要】：在过去的二十年里,传统的硅太阳能电池一直是光伏市场的主流产品。随着科技的发展,具有成本低、材料来源广泛、制备工艺简单灵活等优点的有机太阳能电池得到了业界广泛的关注。而如何提高有机太阳能电池的效率又成为了研究的重中之重。常见的提升效率的方法有:设计合成新的窄带隙光吸收材料、引入界面修饰层、控制活性层的形貌、开发新的退火工艺、制备新的电极材料、掺杂等。本论文通过引入界面修饰层和在活性层中进行掺杂来提升器件的能量转换效率,二者在改善有机太阳能电池效率方面扮演着重要的角色。界面修饰层具有调节电极功函数、降低电极和活性层之间的界面势垒及接触电阻、提升活性层和电极之间的界面稳定性等优点。对活性层进行掺杂能够提高活性层的光吸收能力、促进激子分离、降低载流子复合。本论文主要进行了以下两个方面的工作。(1)将Alq_3/CaF_2双层结构引入到有机太阳能电池,Alq_3/CaF_2作为双阴极界面修饰层,器件结构为ITO/PTFE/PCDTBT:PC71BM/Alq_3/CaF_2/Al。首先制备了以不同厚度CaF_2为阴极界面修饰层的器件,探究了CaF_2的作用。发现CaF_2的引入降低了器件的串联电阻,使活性层和电极之间形成良好的界面接触。器件的能量转换效率能够达到6.23%。接下来制备了以Alq_3/CaF_2为双阴极界面修饰层的器件。效率得到了进一步的提升,最高能量转换效率达到7.48%。在该结构的器件中,Alq_3是有机小分子材料,可作为电子提取层。双阴极界面修饰层结构的功函数与PC71BM的LUMO能级更为匹配,这种结构与单阴极界面修饰层相比降低了界面的表面粗糙度,同时提高了电子的传输和提取能力。(2)通过水热法合成了碳/氧化铟复合纳米粒子(C-In_2O_3 NPs)。将不同浓度的C-In_2O_3 NPs掺杂在活性层中,制备了基于C-In_2O_3 NPs活性层掺杂的有机太阳能电池。器件结构为ITO/PEDOT:PSS/PCDTBT:PC71BM:C-In_2O_3 NPs/CaF_2/Al。当在活性层中掺杂纯In_2O_3 NPs时,器件的能量转换效率达到5.92%。当在活性层中掺杂浓度为1.2 wt%的复合纳米粒子时,器件的性能得到了改善,器件的能量转换效率最高达到了6.82%。这是因为复合纳米粒子的掺杂提高了活性层对光子的吸收,同时促进了活性层的电荷转移,抑制了载流子复合,降低了器件的串联电阻。
【图文】：

太阳能的短波辐射通过大气进入地球，被地球表面吸收，表面温度升高，地表升温后向外放出大量的长波辐射，长波辐射被导致了大气温度的升高，进而形成了温室效应。在过去的 50 年里，的浓度从 300 ppm 增长到 400 ppm，地球的平均温度提高了 0.75℃。生清洁能源的开发变得越来越重要，中国作为 CO2的排放大国，有减少化石能源的使用，寻求新的清洁能源。除了碳氢能源之外，常见水能、太阳能、潮汐能、风能、核能和地热能等。其中一些能源人们开发使用，但是仍然存在着一些弊端。比如地热能作为一种来自地心持续清洁能源，，其抽取成本是十分昂贵的，并不利于开发使用；核能有前景的能源，目前世界上已经有多个国家研究使用，但核能是不可，而且造价十分昂贵，一旦发生泄漏将会对环境造成污染，放射性物物造成危害；风能是一种可持续的清洁能源，但能源的开发受到地点且风速也是不可控的，转换效率较低。

（a）三维海胆状Ni-Pt的TEM图像；（b）器件结构图
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4

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本文编号：2677562