聚3-己基噻吩：纳米碳复合薄膜太阳能电池的稳定性研究

发布时间：2018-01-02 14:21

本文关键词：聚3-己基噻吩：纳米碳复合薄膜太阳能电池的稳定性研究　出处：《太原理工大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：近年来,聚合物太阳能电池的光电转换效率已超过11%,逐渐接近商用化门槛,但是其稳定性能还远不能满足应用需求。本论文以倒置P3HT:PC_(61)BM基聚合物太阳能电池为模型器件,通过对电池衰减过程的深入研究,得出影响器件效率和诱导电池衰减的一些关键性因素,在此基础上提出了有效提高聚合物太阳能电池稳定性的方法;进而基于对衰减机制的理解,提出将环保、稳定和低成本来源的碳量子点(CQDs)用作聚合物太阳能的受体材料和电子缓冲材料(ETLs),以提高电池的稳定性。本论文工作对于建立高效、高稳定性聚合物太阳能电池提供了重要的理论和实践指导。具体研究结果总结如下:(1)选取倒置结构的P3HT:PC_(61)BM太阳能电池作为模型,详细研究了器件在不同负载条件下的性能衰减过程。结果表明,器件的衰减表现出明显的负载依赖性。器件的性能衰减与其活性层中PC_(61)BM的光诱导二聚过程有关,电池工作时外接负载越大,其活性层内激子浓度越高,导致PC_(61)BM二聚体形成加速,因而电池表现出外接负载依赖性衰减过程。基于这一原理判断,在有机光活性层掺杂3%的哌嗪,利用其电子转移作用来抑制PC_(61)BM二聚体的形成,从而有效地抑制了太阳能电池的光致衰减行为,进而提高了电池器件的稳定性。(2)对倒置结构P3HT:PC_(61)BM太阳能电池在不同温度下的衰减行为的研究。结果表明,器件在低温时(50-70°C)表现出起始快速的指数衰减和后续缓慢的线性衰减过程;然而在高温时(80-90°C)却表现出了性能先快速衰减后恢复的现象。高温退火诱导PC_(61)BM分子聚集是导致器件性能发生变化的根本原因。传统溶液法制备太阳能电池中,活性层薄膜中的给受体材料结构处于亚稳态,对电池进行长时间高温退火可以使其从原先的亚稳态转变成稳定态,最终提高太阳能电池的稳定性。(3)开发了利用化学气相沉积法合成CQDs的方法,制备的CQDs表面含有较少的亲水基团,使其在常用有机溶剂中具有良好的分散性;其最低未占分子轨道能级为-3.84 eV,与常见的PC_(61)BM接近。制备的基于CQDs为受体材料的P3HT:CQDs太阳能电池相比于纯P3HT器件,性能提升了2.6倍;基于CQDs为掺杂材料的P3HT:CQDs:PC_(61)BM电池相比于P3HT:PC_(61)BM器件,性能提升了11%。研究证明CQDs很有潜力用作聚合物太阳能电池受体材料。(4)鉴于CQDs良好的有机溶剂分散性和电荷传输性能,研究了CQDs用作聚合物太阳能电池的ETLs的可行性。选取P3HT:PC_(61)BM、PTB7:PC_(61)BM和PTB7-Th:PC71BM分别作为光活性层,制备了结构为ITO/PEDOT:PSS/有机光活性层/ETLs/Al的有机聚合物太阳能电池,各电池的光电转换效率分别达到3.11%、6.85%和8.23%,和基于LiF为ETLs的太阳能电池性能相当。结果表明,CQDs作为ETLs具有宽的厚度宽容性,而且CQDs基ETLs可以有效提高聚合物太阳能电池的长期热稳定性。实验结果表明CQDs是一类应用性能非常良好的阴极界面修饰材料。
[Abstract]:In recent years , the photoelectric conversion efficiency of polymer solar cells has exceeded 11 % , which is close to the commercial threshold , but its stability can not meet the application requirement . ( 3 ) The preparation method of CQDs was developed by chemical vapor deposition . The prepared CQDs contain less hydrophilic groups , which have good dispersibility in common organic solvents .

【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM914.42

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