利用阴极界面修饰提高聚合物太阳能电池的性能和稳定性

摘要

聚合物太阳能电池具有成本低廉、制备工艺简单、可制备成大面积柔性器件等优点，近年来受到越来越多的关注。目前，光电转换效率和器件稳定性是其商品化应用所面临的主要问题。要想解决这两个问题，主要考虑光的吸收利用率和电子空穴的分离，即从活性层材料和界面修饰层的优化两方面入手。本论文主要研究后者，采用不同的修饰方法，降低表面功函数，以提升其器件性能及稳定性。研究工作主要从以下两个方面展开：
　　1.采用表面共价接枝方法制备氮丙啶阴极修饰层，并应用于反向聚合物太阳能电池。为了提高阴极修饰层的抗溶剂性，提高反向聚合物太阳能电池的性能，我们通过表面共价的方法将接枝共聚氮丙啶（surface grafting hyper-branched polymer of aziridine，SGHPA)、3-氨基丙基三乙氧基硅烷（3-aminopropyltriethoxysilane，APTES）以及氮丙啶共价接枝于APTES的双层膜（SGHPA@APTES），三种修饰层修饰于ITO表面。我们对修饰后的ITO的表面性质进行了表征，并应用于制备反向器件。结果表明，我们成功的将共价接枝氮丙啶修饰在基片表面，并且有效降低了ITO表面功函数，ITO的功函数从4.52 eV降到3.46 eV，降幅接近1 eV。以共价接枝修饰层作为阴极修饰层的反向聚合物太阳能电池的能量转换效率有明显提高。以SGHPA@APTES作为阴极修饰层的反向结构器件，能量转换效率最高可达8.18％，与没有阴极修饰层的器件相比，提高了76%。同时，以共价接枝修饰层作为阴极修饰层的反向聚合物太阳能电池的器件稳定性有明显提高。其中以SGHPA和SGHPA@APTES作为阴极修饰层的反向结构器件暴露于空气中140 h后，能量转换效率仍然保持原来的92%以上。
　　2.共轭小分子acridine orange hydrochlor hydrate（AOHH）作为阴极修饰层，应用于传统聚合物太阳能电池及反向聚合物太阳能电池。首先对AOHH修饰层的厚度、表面分子排列情况、表面形貌、修饰 ITO后表面功函数的变化等作了表征，然后利用 AOHH作为阴极修饰层制备了两种结构的聚合物太阳能电池器件，并研究了其器件性能。结果表明，AOHH可以很好地降低ITO的功函数，最大降幅为0.6 eV，证明了其可以作为阴极修饰层。以AOHH作为阴极修饰层的传统结构聚合物太阳能电池的能量转换效率有明显提高。其中，最好的能量转换效率为6.97%，器件是以甲醇溶剂处理后再以乙醇作溶剂制备 AOHH阴极修饰层。而没有阴极修饰层的器件效率为6.29%。我们将AOHH作为阴极修饰层旋涂在ITO表面，探索了紫外臭氧清洗处理，匀胶机转速，不同溶剂以及所蒸镀 MoO3的厚度对使用 AOHH阴极修饰层所制备的反向聚合物太阳能电池器件性能的影响。最终优化后，反向器件能量转换效率最高为6.97%。
　　以上的研究表明，有机物阴极修饰层材料可以有效提高聚合物太阳能电池的器件性能和空气稳定性。本论文的研究是表面共价接枝修饰制备阴极修饰层的很好的尝试，并且探索了含氮共轭分子在聚合物太阳能电池中的应用，希望这种修饰思想将来可以应用于大面积生产以及其他类型的太阳能电池。

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第1章 绪论

1.1 聚合物太阳能电池的研究现状

1.2 聚合物太阳能电池的工作原理

1.3本体异质结型聚合物太阳能电池的结构

1.4 聚合物太阳能电池阴极修饰层的作用及研究现状

1.5 课题的提出

第2章 表面共价接枝氮丙啶修饰ITO：应用于高效稳定的反向聚合物太阳能电池

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第3章 醇溶性阴极修饰层AOHH在传统聚合物太阳能电池中的应用

3.1引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4本章小结

第4章 醇溶性阴极修饰层AOHH在反向聚合物太阳能电池中的应用

4.1引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

硕士论文工作期间科研成果

致谢