三元共混及叠层聚合物太阳能电池器件的研究

摘要

聚合物太阳能电池具有重量轻、环保、低消耗、易制备等优点在新能源光伏领域备受关注，当前聚合物太阳能电池能量转化效率已超过14％。传统二元共混聚合物太阳能电池吸收光谱范围较窄，光子捕获能力较差，这很大程度上影响了太阳能电池能量转换效率的提高。三元共混及叠层聚合物太阳能电池可以有效拓宽器件吸收光谱范围，将带隙不同的给体材料共混或将带隙不同的材料制备成子电池进行叠加，由于材料带隙的差别活性层对光谱吸收形成互补可以拓宽太阳能电池吸收光谱范围，提高太阳能器件的光谱利用率。本文研究在P3HT∶PC61BM传统二元有机太阳能电池中添加第三组分PBT-T-DPP及PTT-DTNT-DT制备三元太阳能电池研究器件性能的变化，研究叠层太阳能电池以P3HT∶PC61BM为底电池，顶电池的活性层为PT-DTNT-DT∶PC71BM以及DPPT-TT∶PC71BM，研究叠层太阳能器件性能的变化。
　　首先，研究了基于P3HT∶PC61BM中掺入不同比例的窄带隙材料PBT-T-DPP对太阳能电池性能的影响。在加入了5％ PBT-T-DPP时，能量转换率(PCE)达到最大为3.68％，相对于P3HT∶PC61BM二元聚合物太阳能电池，其能量转化率提高了16.46％，开路电压(VOC)，短路电流密度(JSC)，填充因子（FF)等都达到最高，当加入浓度更高的PBT-T-DPP时，器件效率逐渐下降，添加5％ PBT-T-DPP的三元聚合物器件，在短路电流条件下，其激子解离率(P(E,T))达到最高为84.37％,相比于二元聚合物电池提高了3.8％。
　　然后，研究了第三组分为PTT-DTNT-DT的窄带隙材料掺入P3HT∶PC61BM的三元聚合物太阳能电池的器件性能。当加入20％ PTT-DTNT-DT时，器件效率达到最高为4.66‰太阳能电池性能最优。如果掺杂溶度高于20％时，聚合物太阳能电池效率逐步降低。对器件的激子解离效率进行研究，在短路电流条件下，当掺入20％ PTT-DTNT-DT时，激子解离率为94.60％达到最大，高于二元聚合物电池的激子解离率90.82％。测试器件的空穴迁移率，发现当掺入20％的PTT-DTNT-DT时器件的空穴迁移率最大达到1.01×10-3，研究器件的表面形貌发现，当掺入20％ PTT-DTNT-DT时薄膜的表面形貌最优。
　　接下来制备叠层太阳能电池，PT-DTNT-DT，DPPT-TT为窄带隙材料，以PT-DTNT-DT∶PC71BM及DPPT-TT∶ PC71BM为项电池活性层材料，以P3HT∶PC61BM为底电池活性层材料，采用新型中间链接层结构为:MoO3/Ag/PFN，使用透射率最高的MoO3/Ag的膜厚组合为8/1.0nm，对器件性能进行测试发现叠层聚合物太阳能电池开路电压VOC近似为两个子电池电压的叠加，制备出叠层太阳能电池最高电压为(1.30V)，电池能量转换效率最高为3.83％，但是，电流被限制为最小的子电池的电流密度，如果可以提高叠层太阳能电池的电流密度那么叠层太阳能电池的能量转换效率会更高。
　　实验结果表明，采用窄带隙材料PBT-T-DPP及PTT-DTNT-DT为第三组分可以大范围拓宽三元太阳能电池器件的吸收光谱，三元聚合物太阳能电池器件性能显著提高，制备PT-DTNT-DT∶PC71BM，DPPT-TT∶PC71BM为顶电池的叠层聚合物太阳能电池，两个子电池的吸收光谱互补，可有效提高器件性能。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 聚合物太阳能电池的发展历程及研究现状

1．3 聚合物太阳能电池的工作原理

1．4 聚合物太阳能电池的结构

1．4．1 单层太阳能电池

1．4．2 双层太阳能电池

1．4．3 体异质结太阳能电池

1．4．4 叠层聚合物太阳能电池

1．5 三元聚合物太阳能电池及叠层太阳能电池研究现状

1．6 本研究的目的及意义

2 聚合物太阳能电池的制备及主要性能参数

2．1 聚合物太阳能电池的制备过程

2．1．1 清洗ITO玻璃基片

2．1．2 阴极缓冲层／阳极缓冲层的制备

2．1．3 光活性层的制备

2．1．4 缓冲层及电极的蒸镀

2．2 聚合物太阳能电池的主要性能参数

2．2．1 聚合物太阳能电池的等效电路

2．2．2 聚合物太阳能电池电流密度-电压(J-V)测试

2．2．3 聚合物太阳能电池外量子效率(EQE)测试

2．2．4 聚合物太阳能电池载流子迁移率测试

2．3 本章小结

3 基于P3HT∶PBT-T-DPP∶PC61BM三元体系的研究

3．1 引言

3．2 三元聚合物太阳能电池器件的制备

3．2．1 实验原料及试剂

3．2．2 PBT-T-DPP材料的紫外-可见光吸收

3．2．3 器件的制备

3．3 三元聚合物太阳能电池器件的表征

3．3．2 三元聚合物太阳能电池光电转换效率(IPCE)测试

3．3．3 三元聚合物太阳能电池激子解离的研究

3．3．4 三元聚合物太阳能电池表面形貌的研究

3．4 本章小结

4 基于P3MT∶PTT-DTNT-DT∶PC61BM三元体系的研究

4．1 引言

4．2 三元聚合物太阳能器件的制备

4．2．1 实验材料及试剂

4．2．2 PTT-DTNT-DT材料的紫外-可见光吸收

4．2．3 三元器件的制备

4．3 结果与讨论

4．3．1 三元器件的电流密度-电压(J-V)与光电转换效率(IPCE)测试

4．3．2 三元器件的载流子迁移率测试

4．3．3 三元器件激子解离率研究

4．3．4 三元器件表面形貌的研究

4．4 本章小结

5 叠层聚合物太阳能电池的研究

5．1 引言

5．2 叠层太阳能电池中间链接层MoO3／Ag／PFN的优化及光学性能研究

5．3 制备PT-DTNT-DT∶PC71BM为顶电池的叠层太阳能电池及其性能研究

5．3．1 叠层聚合物太阳能器件的制备

5．3．2 叠层聚合物太阳能器件的测试结果

5．4 制备DPPT-TT∶PC71BM为顶电池的叠层太阳能电池及其性能研究

5．4．1 叠层聚合物太阳能器件的制备

5．4．2 叠层聚合物太阳能器件的测试结果

5．5 本章小结

总结

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果