反转有机太阳能电池器件优化与稳定性研究

摘要

有机太阳能电池因具有成本低、重量轻、工艺简单、机械柔性好等优点和广泛的商业化应用前景，已成为世界范围内的研究热点。为了使其尽快成为实用的产业化技术，必须综合考虑效率、稳定性和工艺三个重要方面。本论文研究工作的出发点即获得效率更高、稳定性更好、工艺更简单的低成本有机太阳能电池，因此，本论文采用了P3HT:PCBM体异质结光活性层来制作器件，选用反转结构来提高器件稳定性，重点研究了不同的界面修饰层来改善器件性能、不同的透明电极材料来降低成本。本论文的主要研究内容和创新性成果如下：
　　第一章介绍了论文的研究背景，并重点阐述了有机体异质结太阳能电池中反转结构与界面修饰层的研究意义。第二章介绍了有机体异质结太阳能电池的工作机理、器件测试与薄膜表征方法、理论计算方法以及器件结构与制备工艺等内容。前两章为本论文研究工作的开展与深入打下了坚实的基础。
　　第三章研究了常规和反转结构有机太阳能电池的光学和电学性能。基于传输矩阵-光学模型的理论计算结果表明，如果只考虑光学因素，常规结构和反转结构器件光活性层中吸收光子总数和外量子效率均随光活性层厚度波动增加。而除了干涉极大值对应的光活性层厚度以外，反转结构器件在不同光活性层厚度下均体现出更好的性能。如果在光学模型中引入电荷漂移长度作为电学影响因素，那么光活性层中将产生一个有效吸光区域，而且只有该区域内吸收的光子会产生光电流。这时考虑到光学和电学因素的共同影响，反转结构器件在光活性层较薄时性能更好；当光活性层较厚时，常规结构器件体现出更好的性能。同时，加入光学调节层(界面修饰层)可以提高两种器件的吸收光子数和外量子效率，但光活性层较厚时不再能够改善反转结构器件的性能。因此，有机太阳能电池中光子吸收与电荷传输过程对器件性能影响很大，而反转结构器件比常规结构器件具有更强的光子吸收能力，同时进行合适的界面修饰后有潜力实现更高效的光电转换。最后，两种结构的实际器件均获得了3％以上的能量转换效率(PCE)，而反转结构器件体现出更好的光伏性能。
　　第四章基于铝(Al)掺杂氧化锌(AZO)透明电极，特别采用金属Ca薄膜作为界面修饰层制备了高效ITO-free反转有机太阳能电池：Glass/AZO/Ca/P3HT:PCBM/MoO3/Ag。结果表明当只采用AZO阴极时，对应器件的PCE只有1.34％，并可以观测到明显的光饱和现象，说明需要引入低功函数的界面修饰层来改善AZO的电子选择性；当采用AZO/Ca(5 nm)阴极时，Ca作为电子传输层和空穴阻挡层，降低了AZO的功函数，实现了AZO/P3HT:PCBM界面的能级匹配，对应的器件在15 min光照后PCE从1.74％上升到2.69％，伴随着与AZO/Ca的光电导变化密切相关的光饱和现象；当采用超薄Ca(1 nm)界面修饰层时，实现了AZO/Ca/P3HT:PCBM界面的高效电子传输，对应器件的PCE进一步提高到3.17％，克服了光饱和现象，且在氮气中存储1个月后可以保持80％的效率初始值，该类器件的性能不仅接近国际一流水平，而且体现出与ITO基常规和反转结构器件相当的PCE和更好的稳定性，同时AZO作为ITO替代电极进一步降低了工艺成本。
　　第五章中采用低温水溶液法制备的ZnO作为界面修饰层，在AZO透明电极上制备了低成本的ITO-free反转有机太阳能电池：Glass/AZO/ZnO/P3HT:PCBM/MoO3/Ag。该 ZnO制备方法具有工艺简单、成本低、与柔性衬底和印刷工艺兼容等优点，在较低退火温度下即可获得较高质量的ZnO薄膜。研究表明：该ZnO界面修饰层不但可以有效改善AZO的电子选择性，实现AZO/P3HT:PCBM界面的能级匹配，而且可以在一定程度上提高AZO电极的透光率。当ZnO的退火温度为150 ℃时，对应器件的PCE达到3.01％；当ZnO的退火温度降低到100 ℃时，器件仍可得到2.76％的PCE；所有器件均体现出良好的JV特性，未观测到光饱和现象，同时获得了与AZO/Ca基器件相当的PCE和空气稳定性。
　　更进一步，作者采用ZnO界面修饰层，在ITO电极上制备了反转有机太阳能电池：Glass/ITO/ZnO/P3HT:PCBM/MoO3/Ag，主要研究了不同ZnO退火温度下器件的长期稳定性，对应器件的初始PCE平均值超过3％。在空气-氮气-空气存储氛围的4320 h中，统计结果表明：当ZnO的退火温度为50-150 ℃时，所有器件均体现出良好的长期稳定性，可以保持接近80％的PCE稳定值。首先在空气中的480 h，当ZnO的退火温度为80、100、150 ℃时，所有器件的PCE可以保持约90％的初始值，并体现出与短路电流密度相似的退化规律，而开路电压和填充因子保持相对稳定；当ZnO的退火温度为70和50 ℃时，器件PCE体现出先升高再降低的变化趋势。其次，选取氮气-空气氛围模拟了已封装器件在实际应用中的长期空气稳定性。所有器件在氮气氛围下体现出非常好的稳定性，而再次接触空气后表现出类似于第一空气存储时期的退化过程。特别地，在第二个空气存储初期，大部分器件的光伏参数均有所提高，这与器件中氧浓度的变化和光浴处理中氧的解吸附密切相关。总之，反转结构器件的光伏性能与稳定性研究说明这种基于低温水溶液的ZnO制备方法很有潜力用于制备高效率、长寿命的反转有机太阳能电池和柔性电子器件。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

插图索引

表格索引

符号对照表

缩略语对照表

目录

第一章 绪论

1.1能源危机与可再生能源

1.2太阳能与太阳能电池

1.3有机太阳能电池发展历程与研究进展

1.4有机体异质结太阳能电池反转结构和界面修饰研究意义

1.5本论文研究内容与安排

第二章 有机体异质结太阳能电池机理与基础研究

2.1有机体异质结太阳能电池工作机理

2.2有机太阳能电池的测试与表征

2.3有机太阳能电池主要研究方法

2.4有机太阳能电池的稳定性研究

第三章 常规与反转有机太阳能电池光学和电学性能研究

3.1理论方法

3.2结果与讨论

3.3器件制备与验证

3.4本章小结

第四章 金属Ca界面修饰层与反转有机太阳能电池研究

4.1引言

4.2实验

4.3结果与讨论

4.4本章小结

第五章 溶液法ZnO界面修饰层与反转有机太阳能电池研究

5.1引言

5.2实验

5.3结果与讨论

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1全文总结

6.2未来工作展望

参考文献

致谢

作者简介