石墨烯阳极界面修饰及有机太阳能电池应用

发布时间：2020-06-25 23:14

【摘要】：石墨烯是二维纳米材料,它是由具有六边形结构的sp~2杂化的单层碳原子形成的蜂窝结构。由于石墨烯具有优异的光学性能、高导电性和强机械性能,在光电子器件领域具有广阔的应用前景。本文主要将石墨烯作为一种新型透明电极研究其在有机太阳能电池中的应用。本课题使用化学气相沉积法合成的、结合以湿法刻蚀去除铜箔得到的单层石墨烯为阳极,制备了有机太阳能电池。然而,石墨烯存在功函数与空穴传输层的HOMO能级匹配度低、疏水、方块电阻大等问题,使得以其作为阳极制备的器件性能较低。为了解决这些问题,学术界普遍选择界面修饰的方法调节石墨烯的性能,使得它更加适用于实际应用。本课题研究了抗坏血酸、RhCl_3以及CuxO对石墨烯的修饰效果。研究发现,氧化铜能够对石墨烯产生p型掺杂的效果,有效的调节石墨烯功函数和亲水性。实验探索了不同厚度的Cux O对石墨烯的掺杂效果,进而,本文以PCE-10:PC71BM为活性层制备了氧化铜修饰的石墨烯太阳能电池,经过优化,得到了效率为5.23±0.47%的器件,比以本征石墨烯为阳极的电池性能(4.00±0.44%)高30%。这是因为覆盖了CuxO的石墨烯表面接触角有所下降(从88°降低到59°),降低的接触角有利于提升后续溶液在石墨烯表面的覆盖率;同时氧化铜也使石墨烯表面功函数从4.45 e V提升到了4.76 e V,功函数的提升意味着传输层与电极间的空穴传输势垒的降低,上述条件的改善最终使得器件性能有所提升。为了进一步提升器件性能,本课题将一种基于1,2,5-噻二唑稠环芳烃分子掺入活性层构建了三元体系有机太阳能电池。研究发现,这种具有高度扭曲结构小分子材料的引入可以促进活性层对太阳光的吸收,增大器件阻抗,使得CuxO修饰的石墨烯基有机太阳能电池效率提高了50%,最终达到6.03±0.53%。这种通过界面修饰调节石墨烯性能使其更加适合作为阳极的方法为包括有机太阳电池在内的高性能光电器件的制备提供了有力的参考。
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4
【图文】：

有机太阳能电池,工作原理图,激子

图 1.1 有机太阳能电池的工作原理图（2）激子扩散在有机物中，激子产生后的寿命在毫秒量级以下。一般在能量允许的条件下，激子在有机材料中的扩散长度范围约在 5 nm~20 nm。在这个范围内的激子通常表现出相对自由的运动，或者在分子内运动或分子间跃迁，这就是电荷的转移和扩散。（3）激子解离在太阳能电池中，有机材料中激子解离过程也影响着电池的光电转换效率。如图 1.1 (b, c)所示，激子在电场的作用下扩散到给体材料和受体材料的界面处，处在给体 LUMO 上的电子转移到受体的 LUMO 上与给体 HOMO 上的空穴形成激子转移态从而发生激子解离。当激子发生分离后，电子和空穴分别在受体的 LUMO 和给体的 HOMO 上进行传输，产生自由载流子。（4）电荷输运与收集

结构图,有机太阳能电池,结构图,活性层

详细阐述，本文只作简要介绍。其基本结构如图 1.2 所示。（1）双层异质结器件在双层异质结器件中，活性层给体和受体有机材料分层排列在两个电极之间形成平面D-A 界面，同时为电子和空穴提供传输通道。当激子产生电荷转移后，电子在 n 型材料中传输，空穴在 p 型材料中传输。（2）本体异质结器件双层异质结器件的两种活性层材料分别排列在两个电极之间，而本体异质结器件的活性层中的给受体材料是充分混合的，因此 D-A 界面存在于整个活性层内。本体异质结利用 D-A界面效应来转移电荷，它的电荷分离产生在整个活性层区域。（3）分子 D-A 结器件分子 D-A 结器件是一种单层器件，它的命名是根据其活性层材料来命名的。这种材料是由具有电子给体性质的单元以共价键的方式连接到受体聚合物或小分子上而形成的分子 D-A结材料。理想状态下，D-A 结器件中激子的解离过程发生在分子内。

【参考文献】