有机太阳电池光学性能分析

摘要

随着人类社会对能源需求的逐渐增加，对气候问题的日益关注，太阳能作为一种清洁、可再生资源，受到越来越广泛的应用。有机太阳电池以其成本低、柔性好，可大面积制备等优点，成为一大研究热点,并在近些年的研究中取得了众多成果，在未来的发展中将具有巨大的应用潜力。有效层是有机太阳电池中实现光电转换的重要组成部分，其对光的吸收以及内部的辐射复合等情况都会影响电池的效率。对有效层光学性能所对应的光谱进行相应分析，可以在一定程度上为有机太阳电池的进一步优化提供方向，具有一定的研究意义。在本文中，基于目前主流的聚-3已基噻吩：苯基C60丁酸甲酯（P3HT:PCBM）材料做有效层的体异质结结构太阳电池，对有效层进行了紫外-可见吸收谱、光致发光谱及拉曼光谱行为的测试。
　　本研究主要内容包括：⑴在P3HT:PCBM有效层中，主要的吸光物质是P3HT材料，其吸收主要源于其共轭结构中电子的π-π*跃迁，主要的吸收范围在300-650nm；其光致发光激发峰值位于640nm,710nm和780nm处。P3HT:PCBM较之P3HT材料，吸收曲线的吸收范围有所扩大，但可见光区域峰值位置呈现出短波长方向的偏移，同时吸收强度也有所减小；在光致发光谱方面，也出现了峰值蓝移现象及强度衰减现象。结合拉曼光谱分析可得，PCBM分子的加入使聚合物中的有序性遭到了破坏，吸收降低，峰值位置移动。但是从能级结构角度分析，能级的匹配与载流子迁移率的增强，使电荷的复合程度显示出一定的减弱，造成光致发光强度的衰减。通过改变P3HT:PCBM的比例，结合相应器件的电学测试结果，发现随着PCBM比例的增大，器件的开路电压逐渐增大，这种变化与有效层形貌变化引起的能级变动有关。当这一比例值为1:0.8时，电池的效率及短路电流密度达到最高值。对其光谱结果进行分析，其结果在于该比例下两者在有效层中所形成的交互网络最佳，从而使吸收与复合的综合效果最好。⑵为了进一步提高有机太阳电池的效率，退火工艺被应用于器件的制备中。退火处理使P3HT:PCBM太阳电池的电学性能参数得到了显著的提高。通过光学性能分析可得，退火之后，P3HT:PCBM有效层的吸收曲线强度增强并且可见光区域的峰值位置向长波长方向移动，光致发光谱呈现衰减趋势，X射线衍射图呈现峰值强度的增强。这些结果显示，退火使有效层中P3HT聚合物的晶体化程度增大，两种材料产生相分离现象，同时迁移率也随之增大。当退火时长和温度增加时，相分离的距离会不断大，距离的增大会导致激子有效分离的效率降低，与此同时迁移率的增加会使电荷输运的效率增加。因此，在时长及温度的变化中，将会存在某一平衡点。经过光谱分析和器件测量可得，退火温度为150摄氏度、时长为15分钟应该为最优设置。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 太阳电池的发展历史

1.3 有机太阳电池研究

1.4 本论文研究目的及架构

第二章 基本原理与样品制备

2.1 有机太阳电池的工作机理和参数

2.2 光学研究理论基础

2.3 实验样品及器件制备

第三章 P3HT:PCBM有效层基本光学性质

3.1 P3HT:PCBM有效层的光学性能

3.2不同P3HT:PCBM比例溶液对性能影响

第四章 不同退火条件下P3HT:PCBM有效层光学性能

4.1退火处理对P3HT:PCBM光学性能影响

5.2退火时长的设置对光学性能的影响

5.3退火温度的选择对光学性能的影响

5.4 不同退火设置下电池性能

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

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