聚合物太阳电池性能优化：活性层、电子传输层及其表面修饰

摘要

随着石化能源的日益耗尽以及给环境带来的污染，能源危机已经成为了人类面临的最大问题。太阳能电池以半导体材料为媒介，能够实现光能与电能的直接转换，成为了近年来众多领域的研究热点。其中，有机聚合物太阳电池(Polymer solar cells，PSCs)以其独特的优势，如材料来源广泛，可通过分子设计化学合成我们所需要的具有特定性能的材料;质量轻，可与柔性衬底相兼容;电池制备工艺简单，无需复杂真空设备，通过旋转涂膜，喷墨打印以及丝网印刷等方法进行大面积廉价生产，具有巨大的市场竞争力以及商业化开发潜力。但是，PSCs的能量转换效率(Power conversion efficiency, PCE)与无机半导体电池还有较大差距，因此，当前对于PSCs的研究仍围绕着提高PCE开展。
　　本论文针对目前PSCs存在的问题，围绕着提高其PCE开展研究工作，通过以下四个方面对PSCs进行优化，主要研究内容及成果如下:
　　1.提出后附加退火方法，对室温空气条件下制备的P3HT∶PCBM电池进行处理。研究发现，后附加退火方法能够提高P3HT的结晶度，同时有效控制PCBM的生长和扩散，使P3HT与PCBM之间形成良好的互穿网络，从而有利于电荷的传输与抽取，使活性层吸收峰增强并发生红移，短路电流得到提高，电池效率得到有效提升。
　　2.采用溶胶凝胶方法制备ZnO薄膜，通过调节退火速率从而获得具有不同表面形貌和光学特性的ZnO薄膜，并将这些ZnO薄膜作为电子传输层制备了倒结构聚合物太阳电池(Inverted polymer solar cells，IPSCs)。结果表明，与快速退火速率相比，慢退火速率(3℃/min)制备得到的ZnO薄膜表面均匀且连续性好，在倒结构电池中与活性层之间接触紧密，同时还具备一定的散光能力可有效增加光吸收，从而提高电池效率。
　　3.制备绒面铝掺杂ZnO(AZO)薄膜，并以其作为电子传输层制备具有陷光效应的倒结构聚合物太阳电池。从理论和实验两方面对绒面AZO薄膜的陷光机理进行了研究。结果表明绒面AZO薄膜可促进活性层在近紫外-蓝光波长范围内的光吸收，提升电池短路电流。与平面AZO薄膜电池相比，绒面AZO电池性能提高17.6％。
　　4.引入水溶性聚合物聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为AZO电子传输层的表面修饰层，增强了AZO在300-750 nm波长范围内的光学透过率，降低AZO功函数。实验证明PVP修饰层能够显著提高AZO与活性层之间接触质量，减少载流子符合，大幅提高电池填充因子，通过进一步优化空穴传输层WO3，，倒结构P3HT∶PCBM电池效率达到4.6％。

目录

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摘要

第一章 绪论

第一节 有机聚合物太阳电池发展简介

1．1．1 单层结构

1．1．2 双层异质结结构

1．1．3 体异质结结构(Bulk-Heterojunction，BHJ)

第二节 聚合物太阳电池工作原理

1．2．1 有机材料与无机材料的差异

1．2．2 PSC的工作原理

第三节 有机聚合物电池活性层材料

1．3．1 聚对苯撑乙烯(PPV)衍生物

1．3．2 聚噻吩(PT)衍生物

1．3．3 C60及其衍生物

第四节 聚合物太阳电池的制备与表征

1．4．1 PSCs制备过程

1．4．2 聚合物太阳电池性能表征

第五节 聚合物太阳电池的研究现状

1．5．1 活性层优化的研究现状

1．5．2 电子传输层的研究现状

1．5．3 聚合物陷光电池的研究现状

1．5．4 界面修饰层的研究现状

第六节 本研究的设计思路及主要内容

第二章 后附加热退火对聚合物太阳电池性能的影响

第一节 引言

第二节 实验部分

第三节 结果与讨论

2．3．1 后附加热退火对活性层表面形貌的影响

2．3．2 后附加热退火对P3HT:PCBM结构特性的影响

2．3．3 后附加热退火对P3HT:PCBM光学吸收的影响

2．3．4 后附加热退火对聚合物太阳电池性能的影响

第四节 本章小结

第三章 退火速率对溶胶凝胶氧化锌薄膜及电池性能的影响

第一节 引言

3．1．1 倒结构聚合物太阳电池与氧化锌

3．1．2 溶胶凝胶方法制备氧化锌薄膜

第二节 实验部分

第三节 结果与讨论

3．3．1 退火速率对ZnO表面形貌的影响

3．3．2 退火速率对ZnO光学性能的影响

3．3．3 ZnO退火速率对聚合物太阳电池性能的影响

第四节 本章小结

第四章 AZO薄膜对倒结构聚合物太阳电池性能的影响：铝掺杂量，薄膜厚度，绒面陷光

第一节 引言

第二节 实验部分

4．2．1 AZO薄膜制备

4．2．2 器件制备

4．2．3 性能测试

第三节 结果与讨论

4．3．1 掺杂量和厚度对AZO薄膜的影响

4．3．2 铝掺杂量和薄膜厚度对聚合物太阳电池性能的影响

4．3．3 绒面AZO陷光电池的研究

第四节 本章小结

第五章 聚乙烯吡咯烷酮(PVP)界面修饰层对倒结构聚合物太阳电池性能的影响

第一节 引言

第二节 实验部分

5．2．1 AZO，PVP薄膜以及电池制备

5．2．2 测试设备

第三节 结果与讨论

5．3．1 PVP修饰层对AZO薄膜的影响

5．3．2 PVP修饰层对倒结构聚合物太阳电池性能的影响

第四节 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

附录

个人简历 在学期间发表的学术论文及研究成果