溶剂蒸汽退火调控聚合物太阳电池活性层形貌和光伏性能的研究

摘要

太阳能光伏电池是一种直接从太阳光中获取能量的高效清洁能源技术，其中聚合物太阳电池具有柔性、大面积成膜以及质量轻等优点，近年来得到业界的广泛关注。虽然目前实验室聚合物太阳电池最高能量转换效率超过了11％，距商用还有一些亟待解决的问题，例如电池转换效率偏低和稳定性较差的问题。从器件物理角度出发，为增强聚合物太阳电池光伏性能，常采用的优化方法有：改变活性层中给体和受体共混比例、采用不同溶剂、活性层薄膜厚度、调控活性层形貌、采用新型器件结构和界面修饰材料。
　　本论文主要通过调节给体、受体聚合物的共混比例，改变活性层薄膜厚度，系统开展了溶剂蒸汽退火对活性层形貌以及光伏器件性能影响的研究，主要内容如下：
　　1、简单介绍了聚合物太阳电池的发展背景，综述了聚合物太阳电池的基本知识，重点阐述了活性层共混薄膜形貌的优化方法和ITO玻璃基底在聚合物太阳电池的应用及其优缺点。最后提出了本论文的研究思路以及研究内容。
　　2、总结了聚合物太阳电池制备所需仪器设备及器件制作流程，简单介绍了给体材料的光学性能测试、电化学性能测试以及活性层形貌表征，主要归纳了聚合物太阳电池的J-V测试、外量子效率（EQE）测试的原理和测试步骤。
　　3、选择苯并二茚并二噻吩（IDT）给体单元与双氟取代喹喔啉受体单元聚合物PIDTDFTQ和氟取代喹喔啉（FTQ）两种窄带隙聚合物给体材料。研究采用不同溶剂蒸汽退火（SVA）方法优化活性层的相分离情况，结果表明两种材料体系采用THF溶剂蒸汽退火均能显著改善活性层形貌分布（AFM表征），提高了活性层吸收，降低了器件中激子损失。两种电池最优性能表征参数：PIDTDFTQ/PC71BM（1:2）体系Jsc达到11.8mAcm-2，相应 FF为61%，Voc为0.93V，PCE高达6.76%；FTQ/PC71BM（1:1）体系Jsc达到12mAcm-2，相应FF为52.9%，Voc为0.9V，PCE达到5.7%，电池效率均超过已报到文献的最高效率5.7%和5.23%。
　　4、选择了三种不同带隙聚合物给体材料（PCzTQ、FTQ和PTB7）以及三种不同透过率ITO玻璃基底，研究了不同透过率的ITO玻璃对不同带隙给体聚合物光伏器件性能的影响。每种材料体系均以PC71BM为受体材料，采用最优膜厚、D:A比例。通过对比活性层吸收光谱、光伏器件J-V曲线及EQE曲线谱图，表明聚合物材料吸收光谱与ITO玻璃高透过率区域重合时有利于增强器件性能。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2聚合物太阳电池简介

1.3聚合物太阳电池性能优化

1.4聚合物太阳电池ITO玻璃基底简介

1.5本论文创新点及主要工作

第二章 聚合物太阳电池器件制备及性能表征

2.1聚合物太阳电池器件制备

2.2聚合物材料物理与电化学性能测试

2.3聚合物太阳电池光伏性能表征

2.4本章小结

第三章 不同溶剂蒸汽退火对窄带隙聚合物光伏器件性能的影响

3.1引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4本章小结

第四章 ITO玻璃透过率对聚合物太阳电池光伏性能的影响

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文

附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢