有机太阳能电池中光电流-温度特性的研究

摘要

有机太阳能电池具有轻薄、柔性可卷曲、材料来源丰富、容易通过卷对卷生产等工艺大面积制备等优点，被认为是新型洁净能源的典型代表。目前有机太阳能电池的光电转化效率和稳定性与传统的硅电池相比依然较低，一些机理性的问题依然有待深入探讨。有机太阳能电池是将光能转化为电能的装置，有机太阳能电池的性能主要由开路电压、短路电流、填充因子和转化效率等参数来衡量。事实上，有机太阳能电池的性能通常很容易受各种因素的影响，如材料的种类和纯度，薄膜的形貌，水氧等气氛以及光照、温度等。其中温度是影响有机电子器件性能的一个最常见的因素。有机太阳能电池中光电流的产生是一个相对复杂的过程，主要包含光吸收和激子的产生，激子扩散，激子拆分，自由电荷传输和收集这四个基本过程，而这四个过程都与温度有很大关联。因此深入研究有机太阳能电池的温度特性对于探讨电池的机理和提高电池性能就显得尤为重要。
　　本研究主要内容包括：⑴基于CuPc/C60异质结太阳能电池光电流温度关系的研究。利用探针台我们实现了从77 K到300 K温度的精确测量和控制，结合自己搭建的光路系统，我们首次获得了低温下酞菁铜(CuPc)薄膜的吸收谱，并发现CuPc薄膜在530-800 nm范围内的吸收谱几乎不随温度变化，进而算得不同温度下光生激子数和光吸收效率也是几乎不变的。我们还首次测量了低温下基于CuPc/C60异质结的太阳能电池的外量子效率谱(EQE)，发现随着温度从77 K上升到300 K，EQE也呈现出单调增加的变化，平均增加速率为0.12％/K。通过对EQE影响因素的具体分析，我们认为器件光电流的增加主要是源于激子扩散和激子拆分效率随温度的增加而增加，而非其他文献所认为的载流子迁移率的增加。⑵基于Pentacene/C60异质结太阳能电池光电流-温度关系的研究。并五苯(pentacene)是一种具有更好光谱匹配度的小分子给体材料，并且不同于CuPc等材料，在pentacene中存在着单线态裂变的物理过程。该非绝热过程是指一个单线态激子分裂成两个三线态激子，进而产生四个电荷的过程，这对于提高电池的光电流和转化效率有重要意义。采用同样的装置，我们研究了pentacene薄膜吸收谱与厚度及温度的关系;研究了低温下基于pentacene/C60异质结电池的J-V曲线和EQE。我们观察到器件的Jsc和EQE随着温度的增加而明显地增加，但是在同一温度不同波长处增加幅度差别较大，尤其是在660 nm处附近，EQE的增加最小。我们认为并五苯/C60电池中所体现出的这种情况与pentacene中独特的激子拆分方式有关。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 太阳能电池的研究背景

1．2 有机半导体简介

1．2．1 无机半导体的能级

1．2．2 有机半导体与无机半导体的差异

1．3 有机太阳能电池的发展现状

1．3．1 有机太阳能电池结构的研究

1．3．2 太阳能电池材料的研究

1．3．3 有机太阳能电池目前的主要问题

1．4 本论文的框架结构

第2章 有机太阳能电池的工作原理和制备

2．1 无机太阳能电池的工作原理

2．2 有机太阳能电池的工作原理

2．2．1 有机光伏电池的基本过程

2．3 太阳能电池的等效电路

2．4 有机太阳能电池的制备

2．4．1 有机太阳能电池的制备系统

2．4．2 有机小分子太阳能电池的制备流程

第3章 有机太阳能电池的性能表征

3．1 电流电压曲线、转化效率的测量

3．1．1 太阳能电池电流-电压测试条件

3．1．2 太阳能电池的电流-电压曲线

3．2 量子效率测量

3．3 温度的控制和测量

3．4 光吸收、反射的测量

3．5 激光瞬态测量

第4章 基于CuPc／C60平面异质结的有机太阳能电池温度特性的研究

4．1 引言

4．2 实验

4．3 结果与讨论

4．4 结论与总结

第5章 基于并五苯／富勒烯平面异质结的太阳能电池温度特性的研究

5．1 研究背景

5．1．1 基于Pentacene／C60太阳能电池的研究情况

5．1．2 有机分子内激子过程和单线态裂变

5．1．3 Pentacene薄膜的吸收谱

5．2 实验结果与讨论

5．3 结论

第6章 结论和展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文情况