优化有源层光子俘获及形貌提高有机光伏器件的性能及机理研究
发布时间：2022-01-22 15:11
有机光伏器件因其成本低、环境友好、柔性、可大面积制备等优点受到广泛关注。当前,进一步提高有机光伏器件的效率及稳定性仍然是研究焦点。传统二元有机光伏器件的有源层是由一种给体和一种受体材料组成。有机半导体材料光子俘获范围较窄,其吸收光谱的半高全宽一般在150 nm以下,这就限制了二元有源层对光子的俘获。有源层对光子的俘获能力可以通过引入合适带隙的第三组分得以增强。此外,合适的第三组分还可以作为形貌调控剂,优化给受体相分离,实现更加有效的电荷传输和收集。合适第三组分的引入不仅可以提高有机光伏器件的性能,同时也保持了单结器件制备的简洁性。本论文以调控有源层光子俘获及形貌为切入点,以制备高效率有机光伏器件为核心目标。由于材料间光学带隙、能级位置、载流子迁移率等特性的不同,三元有源层中的激子和载流子动力学过程更为复杂。通过制备各种体系的有机光伏器件,探究激子和载流子动力学过程,并对薄膜与器件光电特性进行表征,澄清了三元有机光伏器件的工作机理及性能提升的原因。在有源层材料筛选,有源层制备工艺优化,器件工作机理分析等方面开展了系列研究工作。主要研究内容及创新点如下:1.研究了不同体系的有机光伏器件,揭...
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：127 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
代表性给受体材料化学结构示意图
北京交通大学博士学位论文4的最高值。图1-1为相关给受体材料的化学结构图。相信随着有源层材料的不断发展，有机光伏器件将逐步从实验室走向商业化。图1-1代表性给受体材料化学结构示意图。Figure1-1Thetypicalchemicalstructuresofactivelayermaterials.1.1.3有机光伏器件工作机理有机光伏器件是将太阳能转换为电能的装置，主要利用材料的光生伏特效应完成能量转换。有机光伏器件工作的基本物理过程包括光子俘获、激子扩散与解离、载流子传输与收集。如图1-2所示，太阳光通过透明电极材料进入有源层，能量大于有源层材料带隙的光子被吸收，电子从最高占用分子轨道（HOMO）能级激发至最低未被占用分子轨道（LUMO）能级，形成束缚的电子-空穴对，也称之为激子。激子扩散到给受体界面被解离生成自由的载流子。自由载流子通过给受体形成的域传输至电极，并被有效收集，最终完成光电转换过程。图1-2本体异质结有机光伏器件光电转换过程示意图[21]。Figure1-2Thephotoelectricconversionprocessofsingle-junctionorganicphotovoltaics(OPVs)[21].
引言5有机光伏器件的等效电路如图1-3所示。有机光伏器件模型可以由一个理想电流源、一个理想二极管、一个并联电阻（RSH）和一个串联电阻（Rs）组成。IL为器件在光照的条件下该等效电源输出的电流，IL一部分用来抵消结电流（ID），一部分为供给负载的电流（I），RSH是为考虑电池边缘的表面漏电流而设计的一个等效并联电阻，Rs为材料体电阻，电极与有源层的接触电阻，电极本身传导电流产生的电阻等复合得到的等效串联电阻。很显然，器件的Rs越小，RSH越大，越接近于理想有机光伏器件的模型，器件的性能也就越好。影响有机光伏器件能量转换效率（PCE）的关键光伏参数主要为短路电流密度，开路电压和填充因子。图1-3理想有机光伏器件的等效电路图和电流密度-电压（J-V）特性曲线。Figure1-3EquivalentcircuitandJ-VcurvesofidealOPVs.（1）短路电流密度（JSC）当有机光伏器件在短路条件下即外加负载为零时，所测得的电流为短路电流。短路电流是器件工作时的最大输出电流。单位面积的短路电流即为JSC。JSC的大小取决于有源层吸收光子的数目、激子解离效率、电荷传输及收集效率。有源层对光子的俘获是实现器件高JSC的首要条件，要选择吸收光谱与太阳光谱有较大重叠，且吸收系数较高的有源层材料。（2）开路电压（VOC）VOC指的是断开时的电压，此时器件短路电流为0。VOC是器件输出的最大电压。VOC主要由给体材料的HOMO能级和受体材料的LUMO能级决定，如公式1-1所示：=1(0.3)(1-1)其中，e指基本电荷，指受体的LUMO能级，指给体的HOMO能级，0.3eV指有效电荷分离的经验值。此外，器件的VOC还与电极功函、界面材料、有源层形貌、温度、光强等多种因素有关。（3）填充因子（FF）FF可以通过
【参考文献】：
期刊论文
[1]效率超过17.2%类合金模型的三元聚合物太阳能电池（英文）[J]. 安桥石,王健,高威,马晓玲,胡拯豪,高进华,徐春雨,郝明辉,张晓俐,杨楚罗,张福俊. Science Bulletin. 2020(07)
[2]有机太阳电池效率突破18%（英文）[J]. 刘启世,江宇凡,金柯,秦建强,许金桂,李文婷,熊骥,刘金凤,肖作,孙宽,杨上峰,张小涛,丁黎明. Science Bulletin. 2020(04)
[3]Altering alkyl-chains branching positions for boosting the performance of small-molecule acceptors for highly efficient nonfullerene organic solar cells[J]. Zhenghui Luo,Rui Sun,Cheng Zhong,Tao Liu,Guangye Zhang,Yang Zou,Xuechen Jiao,Jie Min,Chuluo Yang. Science China（Chemistry）. 2020(03)
[4]Non-fullerene acceptor fibrils enable efficient ternary organic solar cells with 16.6% efficiency[J]. Donghui Li,Xiaolong Chen,Jinglong Cai,Wei Li,Mengxue Chen,Yuchao Mao,Baocai Du,Joel A.Smith,Rachel C.Kilbride,Mary E.O’Kane,Xue Zhang,Yuan Zhuang,Pang Wang,Hui Wang,Dan Liu,Richard A.L.Jones,David G.Lidzey,Tao Wang. Science China（Chemistry）. 2020(10)
[5]Over 16.7% efficiency of ternary organic photovoltaics by employing extra PC71BM as morphology regulator[J]. Jinhua Gao,Jian Wang,Qiaoshi An,Xiaoling Ma,Zhenghao Hu,Chunyu Xu,Xiaoli Zhang,Fujun Zhang. Science China（Chemistry）. 2020(01)
[6]光电高分子材料的研究进展[J]. 黄飞,薄志山,耿延候,王献红,王利祥,马於光,侯剑辉,胡文平,裴坚,董焕丽,王树,李振,帅志刚,李永舫,曹镛. 高分子学报. 2019(10)
[7]Solvent additive-free ternary polymer solar cells with 16.27% ef?ciency[J]. Qiaoshi An,Xiaoling Ma,Jinhua Gao,Fujun Zhang. Science Bulletin. 2019(08)
[8]Achieving over 16% efficiency for single-junction organic solar cells[J]. Baobing Fan,Difei Zhang,Meijing Li,Wenkai Zhong,Zhaomiyi Zeng,Lei Ying,Fei Huang,Yong Cao. Science China（Chemistry）. 2019(06)
[9]High-efficiency quaternary polymer solar cells enabled with binary fullerene additives to reduce nonfullerene acceptor optical band gap and improve carriers transport[J]. Weiping Li,Dong Yan,Feng Liu,Thomas Russell,Chuanlang Zhan,Jiannian Yao. Science China（Chemistry）. 2018(12)
[10]Thermostable single-junction organic solar cells with a power conversion efficiency of 14.62%[J]. Hui Li,Zuo Xiao,Liming Ding,Jizheng Wang. Science Bulletin. 2018(06)
博士论文
[1]基于三元策略有机太阳能电池的制备及机理研究[D]. 张苗.北京交通大学 2019
[2]优化有源层形貌提高有机太阳能电池性能的研究[D]. 孙倩倩.北京交通大学 2017
[3]三元有机太阳能电池的制备及机理研究[D]. 安桥石.北京交通大学 2017
本文编号：3602422
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：127 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
代表性给受体材料化学结构示意图
北京交通大学博士学位论文4的最高值。图1-1为相关给受体材料的化学结构图。相信随着有源层材料的不断发展，有机光伏器件将逐步从实验室走向商业化。图1-1代表性给受体材料化学结构示意图。Figure1-1Thetypicalchemicalstructuresofactivelayermaterials.1.1.3有机光伏器件工作机理有机光伏器件是将太阳能转换为电能的装置，主要利用材料的光生伏特效应完成能量转换。有机光伏器件工作的基本物理过程包括光子俘获、激子扩散与解离、载流子传输与收集。如图1-2所示，太阳光通过透明电极材料进入有源层，能量大于有源层材料带隙的光子被吸收，电子从最高占用分子轨道（HOMO）能级激发至最低未被占用分子轨道（LUMO）能级，形成束缚的电子-空穴对，也称之为激子。激子扩散到给受体界面被解离生成自由的载流子。自由载流子通过给受体形成的域传输至电极，并被有效收集，最终完成光电转换过程。图1-2本体异质结有机光伏器件光电转换过程示意图[21]。Figure1-2Thephotoelectricconversionprocessofsingle-junctionorganicphotovoltaics(OPVs)[21].
引言5有机光伏器件的等效电路如图1-3所示。有机光伏器件模型可以由一个理想电流源、一个理想二极管、一个并联电阻（RSH）和一个串联电阻（Rs）组成。IL为器件在光照的条件下该等效电源输出的电流，IL一部分用来抵消结电流（ID），一部分为供给负载的电流（I），RSH是为考虑电池边缘的表面漏电流而设计的一个等效并联电阻，Rs为材料体电阻，电极与有源层的接触电阻，电极本身传导电流产生的电阻等复合得到的等效串联电阻。很显然，器件的Rs越小，RSH越大，越接近于理想有机光伏器件的模型，器件的性能也就越好。影响有机光伏器件能量转换效率（PCE）的关键光伏参数主要为短路电流密度，开路电压和填充因子。图1-3理想有机光伏器件的等效电路图和电流密度-电压（J-V）特性曲线。Figure1-3EquivalentcircuitandJ-VcurvesofidealOPVs.（1）短路电流密度（JSC）当有机光伏器件在短路条件下即外加负载为零时，所测得的电流为短路电流。短路电流是器件工作时的最大输出电流。单位面积的短路电流即为JSC。JSC的大小取决于有源层吸收光子的数目、激子解离效率、电荷传输及收集效率。有源层对光子的俘获是实现器件高JSC的首要条件，要选择吸收光谱与太阳光谱有较大重叠，且吸收系数较高的有源层材料。（2）开路电压（VOC）VOC指的是断开时的电压，此时器件短路电流为0。VOC是器件输出的最大电压。VOC主要由给体材料的HOMO能级和受体材料的LUMO能级决定，如公式1-1所示：=1(0.3)(1-1)其中，e指基本电荷，指受体的LUMO能级，指给体的HOMO能级，0.3eV指有效电荷分离的经验值。此外，器件的VOC还与电极功函、界面材料、有源层形貌、温度、光强等多种因素有关。（3）填充因子（FF）FF可以通过
【参考文献】：
期刊论文
[1]效率超过17.2%类合金模型的三元聚合物太阳能电池（英文）[J]. 安桥石,王健,高威,马晓玲,胡拯豪,高进华,徐春雨,郝明辉,张晓俐,杨楚罗,张福俊. Science Bulletin. 2020(07)
[2]有机太阳电池效率突破18%（英文）[J]. 刘启世,江宇凡,金柯,秦建强,许金桂,李文婷,熊骥,刘金凤,肖作,孙宽,杨上峰,张小涛,丁黎明. Science Bulletin. 2020(04)
[3]Altering alkyl-chains branching positions for boosting the performance of small-molecule acceptors for highly efficient nonfullerene organic solar cells[J]. Zhenghui Luo,Rui Sun,Cheng Zhong,Tao Liu,Guangye Zhang,Yang Zou,Xuechen Jiao,Jie Min,Chuluo Yang. Science China（Chemistry）. 2020(03)
[4]Non-fullerene acceptor fibrils enable efficient ternary organic solar cells with 16.6% efficiency[J]. Donghui Li,Xiaolong Chen,Jinglong Cai,Wei Li,Mengxue Chen,Yuchao Mao,Baocai Du,Joel A.Smith,Rachel C.Kilbride,Mary E.O’Kane,Xue Zhang,Yuan Zhuang,Pang Wang,Hui Wang,Dan Liu,Richard A.L.Jones,David G.Lidzey,Tao Wang. Science China（Chemistry）. 2020(10)
[5]Over 16.7% efficiency of ternary organic photovoltaics by employing extra PC71BM as morphology regulator[J]. Jinhua Gao,Jian Wang,Qiaoshi An,Xiaoling Ma,Zhenghao Hu,Chunyu Xu,Xiaoli Zhang,Fujun Zhang. Science China（Chemistry）. 2020(01)
[6]光电高分子材料的研究进展[J]. 黄飞,薄志山,耿延候,王献红,王利祥,马於光,侯剑辉,胡文平,裴坚,董焕丽,王树,李振,帅志刚,李永舫,曹镛. 高分子学报. 2019(10)
[7]Solvent additive-free ternary polymer solar cells with 16.27% ef?ciency[J]. Qiaoshi An,Xiaoling Ma,Jinhua Gao,Fujun Zhang. Science Bulletin. 2019(08)
[8]Achieving over 16% efficiency for single-junction organic solar cells[J]. Baobing Fan,Difei Zhang,Meijing Li,Wenkai Zhong,Zhaomiyi Zeng,Lei Ying,Fei Huang,Yong Cao. Science China（Chemistry）. 2019(06)
[9]High-efficiency quaternary polymer solar cells enabled with binary fullerene additives to reduce nonfullerene acceptor optical band gap and improve carriers transport[J]. Weiping Li,Dong Yan,Feng Liu,Thomas Russell,Chuanlang Zhan,Jiannian Yao. Science China（Chemistry）. 2018(12)
[10]Thermostable single-junction organic solar cells with a power conversion efficiency of 14.62%[J]. Hui Li,Zuo Xiao,Liming Ding,Jizheng Wang. Science Bulletin. 2018(06)
博士论文
[1]基于三元策略有机太阳能电池的制备及机理研究[D]. 张苗.北京交通大学 2019
[2]优化有源层形貌提高有机太阳能电池性能的研究[D]. 孙倩倩.北京交通大学 2017
[3]三元有机太阳能电池的制备及机理研究[D]. 安桥石.北京交通大学 2017
本文编号：3602422
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