有机半导体光伏材料自生缓冲层的生成与研究

发布时间：2020-10-29 22:25

　　 有机太阳能电池的众多优点使其成为目前最有前景的光伏器件之一,其性能的改进主要从材料、器件结构、形貌调控、界面工程等几个方面进行。在器件的制作过程中常常由于表面粗糙度太大,能级不匹配等原因导致器件性能受到抑制,界面工程中的缓冲层能很好的解决这一问题,因而受到了极大关注。溶剂处理是界面工程中常用的一种有效方式,这种方式可以方便的得到厚度和组成可控的缓冲层,但以往的研究中都是选用良溶剂。本文用聚[4,8-双(5-(2-乙基己基)噻吩-2基)苯并[1,2-b;4,5-b’]双噻吩-2,6-双基-(4-(2-乙基己基)-3-氟代噻吩[3,4-b]噻吩-)-2-羧基-2,6-双基](PTB-Th)和聚[N,N’-双(2-辛基十二烷基)-1,4,5,8-萘二酰亚胺-2,6-双基-并-5,5’-(2,2’-双噻吩)](N2200)的不良溶剂甲醇采用浸泡和熏蒸两种不同的方式处理它们二元混合的活性层薄膜。根据极性原理,极性溶剂与极性物质有更强的相互作用,相对于PTB7-Th,甲醇和N2200之间有更强的相互作用,因而随着作用时间的变化,表面形成了不同主要成分的自生缓冲层。首先,采用甲醇浸泡的方式处理活性层,通过接触角和膜厚的测量证明甲醇对N2200有更强的作用;通过对活性层表面功函、表面物质含量等的测试发现随着浸泡处理的进行,在活性层表面自发形成了以N2200为主要成分的自生缓冲层,这层缓冲层降低了活性层的表面功函,同时减小了正置结构器件中活性层与电极之间的势垒,实现了提高器件效率的目的。其次,随着甲醇浸泡时间的继续增加,活性层的表面功函反而增大了,这是因为在表面形成了以PTB7-Th为主要成分的自生缓冲层。这层缓冲层增加了活性层的表面功函,降低了倒置结构器件中活性层与电极之间的势垒,实现了提高器件效率的目的。再次,用甲醇熏蒸的方式处理活性层,进一步研究了甲醇对PTB7-Th/N2200活性层的作用机理。当熏蒸时间不超过3 min时,表面功函持续减小,这是因为更多的N2200扩散到活性层的表面,在表面形成了以N2200为主要成分的缓冲层。继续增加熏蒸时间,表面功函将维持稳定,不再变化。本文率先提出了用不良溶剂处理活性层的方式,并且用实验证明这是一个提高器件性能的有效方式,同时探索了甲醇对PTB7-Th/N2200活性层的作用机理。
【学位单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM615
【部分图文】：

向热能的转化，比如太阳能热水器、太阳灶等，如图 1.1 所示，这是太阳能最用方式；其二是太阳能向电能的转化，如光电二极管、太阳能电池等，其中电池为代表的光伏器件成为现今的研究热点，各国都投入了大量的人力、物阳能电池的研究。按照活性层的材料来源太阳能电池分为无机太阳能电池、有机太阳能电池敏化太阳能电池。目前能较大规模应用于商业生产的是无机太阳能电池，它艺纯熟，使用寿命长，稳定性好，转化效率高，单异质结器件的效率已经超过]，但是这类电池工艺复杂、成本高还会对环境造成污染，这些使它的发展应用大的限制。染料敏化太阳能电池材料丰富，成本低，工艺相对简单，但存在低，耐久性不高，电解液易泄露等问题，这些问题也限制了它的发展。有机池以其工艺简单、质量轻、材料来源广、易大面积制造、柔性好、成本低等[为目前最有前景的光伏器件，如图 1.2 所示。目前有机太阳能电池的大规模商要限制于器件较低的功率转化效率(PCE)，为此科研工作者们主要从材料、器件貌调控等几个方面进行优化以提高器件的功率转化效率[7-9]。除此以外，近年程[10, 11]也以其独特的优势吸引了越来越多人的注意。

图 1.2 有机太阳能电池.2 有机光伏器件简介.2.1 有机光伏器件的发展进程光伏器件就是将光能转化成电能或者将电能转化成光能的器件，有机光伏器光伏器件的活性层由有机材料制成。本文研究将太阳能转化成电能的有机光伏的发展历史可以追述到上世纪中期，美国的 Keams 和 Calvin 在两个不同的电极入酞菁酮(CuPc)层制备出了世界上第一个有机光电转换器[12]，但是当时这个器路电压只有很小的 200 mV,因此器件的效率也特别低，只有 0.01 %，尽管如此拉开了有机太阳能电池发展的序幕。随后的二十多年中，对有机太阳能电池的乎都只是改变电极中间的夹层材料，因此没有重大的创新突破，器件的效率也大的提高，仍然远远低于 1 %。直到 1986 年，Tang (邓青云博士)将双层异质结入了有机太阳能电池，器件的效率才有了重大突破。他以酞菁铜为给出电子的

图 1.3 (a)双异质结器件结构示意图；(b)可溶液处理的异质结器件结构示意图2 国内外有机光伏器件的发展现状现在的光伏器件无论是在实验室还是商业生产中，无机器件不管是在制作工是转化效率方面都远高于有机器件，比如硅基的太阳能电池其光电转化效率 25 %[22]，而有机太阳能电池才刚超过 12 %，但是近年来有机材料成为各国研
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本文编号：2861544