界面材料的修饰及其在聚合物太阳能电池的应用

发布时间：2020-08-05 15:22

【摘要】：聚合物太阳能电池(PSCs)作为有效利用太阳能的光电器件之一,目前的能量转换效率(PCE)已攀升到15%,但是其PCE仍远低于理论值。常见的PSCs器件有正装和倒装两种结构,且研究表明在这两种结构里加入性能优良的界面修饰层都可以显著提升器件PCE以及稳定性,因此激发了人们对界面修饰材料的研究热情。高分子材料聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)是最普遍使用的阳极界面层材料,而n型半导体氧化锌(ZnO)是最普遍使用的阴极界面修饰层材料。本论文通过对这两种界面材料的研究来调控界面层/有机活性层的特性从而提升PSCs器件性能,具体内容如下:(1)通过酸掺杂(有机三氟乙酸(TFA)和金氯酸(HAuCl_4))调控PEDOT:PSS分子结构,使导电的PEDOT和绝缘的PSS~-产生垂直相分离,明显提升导电性和功函数,而在此过程中原位合成的纳米金颗粒(Au NPs)能形成表面等离子体共振(LSPR),与酸处理的协同作用可进一步提升电导率,之后分别将不同酸处理的PEDOT:PSS应用在PSCs的阳极界面修饰层(AILs),发现酸掺杂可显著提升器件PCE和稳定性,P3HT:PC_(61)BM基PSCs器件PCE从3.02%提升到了最优的4.08%,而PTB7:ICBA基的PSCs器件PCE从5.88%提升到了8.05%。(2)采用溶液生长法合成了可控的氧化锌纳米阵列(ZnO NRAs),并在其上用连续离子层吸附反应(SILAR)法成功包覆Bi_2S_3,发现Bi_2S_3的包覆不仅可以提高ZnO NRAs的结晶性,减少表面缺陷,还可以改变有机活性层(P3HT)的结晶性,增强光吸收和激子分离。在这里,ZnO NRAs/Bi_2S_3作为阴极界面修饰层(CILs)的P3HT:PC_(61)BM基PSCs器件PCE可从2.39%提升至3.57%;PTB7:PC_(71)BM基IPSCs器件PCE可提升30.12%达到6.35%。(3)首次通过n型半导体铋氧硫(Bi_2O_2S)溶液直接对ZnO NRAs表面进行处理,减少了ZnO NRAs表面缺陷、增强了ZnO NRAs和有机活性层的能级匹配,提高电荷传输效率;之后将ZnO NRAs和不同浓度处理的ZnO NRAs/Bi_2O_2S应用在PSCs的CILs。发现P3HT:PC_(61)BM基器件PCE可从2.47%提升到3.61%,而ITIC:PDBD-T基PSCs器件PCE可从7.76%提升至9.89%。(4)首次通过窄带隙n型半导体铋氧二硫(Bi_2OS_2)溶液直接对波纹状ZnO NRAs表面进行处理,增大CILs与活性层接触面积、提高了有机活性层(PTB7)的结晶性,从而增强光吸收和激子传输与分离;发现纯ZnO NRAs作为CILs的PTB7:PC_(71)BM基和ITIC:PBDB-T基器件PCE分别为5.51%和8.03%,而ZnO NRAs/Bi_2OS_2作为CILs的PTB7:PC_(71)BM基器件PCE可达到7.31%,ITIC:PBDB-T基PSCs器件可至9.94%;且器件寿命显著提高。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB34;TM914.4
【图文】：

第一章 绪论性层材料与电极之间由于功函数不同，会在活性层与电极之间形成阻碍电极对的肖特基接触。此时，电荷容易被电极和活性层的界面捕获从而损伤了 PSCs。界面工程的引入更容易在电极和有机活性层之间建立欧姆接触，从而改善电率[21]，使激子在内建电场作用下走向两极，即阳极收集更多的空穴，阴极收集子，减少漏电流。因此，界面工程可有效解决活性层与电极材料直接接触带来响。

为了更好的收集和提取空穴甚至阻挡电子，AILs 一般具有和给体材料的 HOMO 能级匹配的高功函数而且需要跟给体材料形成良好的欧姆接触。同时，AILs 的材料本身应该具有较少界面的缺陷、较高的光学透明性，应用到 PSCs 器件中才能保证不明显增加甚至减少界面电阻[24]。经过多年的不断探索，科学家们已开发出多种 AILs 材料，包括过渡金属氧化物（氧化钼（MoO3）[25]、PEDOT:PSS[26,27]和氧化石墨烯及其衍生物[28,29]等。高分子聚合物 PEDOT:PSS 作为已成品化的 AILs 材料，组分为 PSS（聚苯乙烯磺酸盐）和 PEDOT（（3，4-乙烯二氧噻吩单体）的聚合物）。虽然透光 PEDOT:PSS 受热稳定性高、加工制作灵活，但是 PEDOT:PSS 仍然有一些缺点与不足[26,30]。PEDOT:PSS 具有弱酸性，对基底可能有一定的损伤；而其中的 PSS 是一种绝缘物质，导致 PEDOT:PSS电导率的降低。另外，对于常见的有机活性层来说，PEDOT:PSS 的功函数（Wf）偏低（4.9-5.1eV），会产生一定的能级势垒。目前，为了提高 PEDOT:PSS 的性能，研究者们主要集中于几个方向，包括提升或降低 PEDOT:PSS 的 pH[31]、重组 PEDOT:PSS[26,32]和改善 PEDOT:PSS 的低电导率等[33,34]。

华南理工大学硕士当光电转换过程完成后，其光伏性能即输出特性一线表示，包括暗导曲线和光导曲线。在暗导条件下即当外加电压超过阈值电压时，器件导通；满足： = exp( ) 其中，JD是暗导电流密度，JS反向的电流密度（饱V 是外加电压，T 是室温。而光导条件下，BHJ PSCs 器件等效图如图 1-4阻（Rs）和并联电阻（Rsh）是不可忽略的因素，所 = exp( ( ) ) 1其中，Jph衡量光生电流密度。活性层、界面和电

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本文编号：2781674