本体异质结聚合物太阳能电池性能优化研究

摘要

近几年，越来越多的科研工作者投入到了聚合物太阳能电池的研究当中，设计合成了大量性能优异的聚合物给体材料，使聚合物太阳能电池的效率逐年提高。然而提高聚合物太阳能电池的效率是一项系统工程，需要化学、材料科学、物理学和工程学等方面的协同努力，不仅涉及到新化合物的设计与合成，还包括薄膜形貌的控制和分析，器件工作原理的探索，新型器件结构的提出等。本文从器件活性层，空穴传输层和器件结构等方面着手，探索了优化器件性能的条件和原因，主要结果如下：
　　(1)以PTG1为电子给体材料，制备了结构为ITO/PEDOT:PSS/PTG1:PC60BM/LiF/Al的本体异质结聚合物太阳能电池器件，研究了不同含量的1,8-二碘辛烷加入到制备活性层的共混溶液中对器件性能的影响，并对性能最优的器件进一步进行了退火条件的研究，发现添加1,8-二碘辛烷含量为1％，经150oC退火20 min的器件具有最优的性能，能量转换效率从4.65%提高到了5.42%。并用原子力显微镜对活性层进行了研究，发现添加1%的1,8-二碘辛烷时，活性层具有合适尺寸的微相分离，两相界面清晰，有利于载流子的分离，而更多的1,8-二碘辛烷则使相界面变得模糊，不利于载流子的分离。
　　(2)使用P3HT:PC60BM体系作为器件的光活性层，制备了空穴传输层为MoO3和PEDOT:PSS的聚合物太阳能电池器件，对两种结构的器件中空穴传输层厚度进行了优化，发现使用20 nm的MoO3作为空穴传输层的器件具有较好的光伏性能，与使用PEDOT:PSS的器件相比，Rsh提高了20%，Rs降低了约10%，PCE从2.57%增加到了3.15%，FF从0.52提高到了0.63。同时，实验发现，相比PEDOT:PSS，使用 MoO3的器件还具有更好的稳定性，暴露在空气中50 h后仍具备一定的光伏特性。将MoO3应用于其它几种材料的体系中，发现器件性能也有不同程度的提升，说明MoO3作为一种更优异的空穴传输材料替代PEDOT:PSS具有一定的推广价值。
　　(3)制备了以聚合物PBDT-TID，P3HT为给体材料，PC60BM为受体材料，电子传输材料为TIPD的反向聚合物太阳能电池器件，获得了较常规正向器件高的光伏性能，基于PBDT-TID的反向器件得到了6.93%的能量转换效率，比正向结构5.10%的能量转换效率提高了近35%。实验发现反向器件短路电流大幅增加是PCE增加的主要原因，文章从器件的IPCE光谱、器件内部光强分布和活性层的纵向相分离情况等方面阐述了短路电流增加的原因，同时还对器件的稳定性进行了研究。

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第1章 文献综述

1.1 研究背景

1.2 聚合物太阳能电池的研究进展

1.3 聚合物太阳能电池材料

1. 4提高聚合物太阳电池效率的方法

1.5 本论文的设计思想与研究内容

第2章 添加剂对活性层形貌和器件性能的影响研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 添加1,8-二碘辛烷对器件性能影响的研究

2.4 本章小结

第3章 用MoO3作为空穴传输层对器件性能影响的研究

3.1 引言

3.2 器件制备

3.3 结论和分析

3.4 MoO3在其它体系中的应用

3.5 本章小结

第4章 反向结构对器件性能影响的研究

4.1 引言

4.2 器件制备

4.3 器件光伏性能的表征

4.4 Jsc提高的原因分析

4.5 器件的稳定性研究

4.6 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

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