扫描探针显微镜在有机太阳能电池研究中的应用

摘要

有机太阳能电池材料来源广泛、制作成本低廉、能够实现大面积滚筒式印刷、并且能够制作出柔性、可弯曲的器件，因而成为当前国际上的研究热点。有机太阳能电池目前存在的光电转换效率偏低和器件稳定性差等缺点是制约着其商业化的主要问题。有机光伏电池的效率与构成异质结的材料及其微观结构、有机光伏电池的稳定性及失效机理与异质结微观形貌稳定性都有着密切的关系。利用扫描探针显微镜(SPM)研究有机太阳能电池材料及器件的局部微观形貌与器件宏观性能、稳定性之间的内在规律，合理地指导薄膜的形貌调控，从而达到优化器件性能的目的是本论文的主要工作。具体工作内容如下:
　　(1)研究了基于P3HT∶PCBM和P3HT∶ICBA体系的聚合物本体异质结太阳能电池的性能和形貌稳定性。考察了P3HT/ICBA比例不同对器件光伏性能的影响。结果表明:基于P3HT∶ICBA体系的器件的光电转换效率尽管可以达到5.5％，但是其稳定性却低于基于P3HT∶PCBM体系的器件。利用原子力显微镜(AFM)分析了P3HT∶ ICBA体系稳定性较低的原因。由于不稳定的D-A互穿网络结构使得P3HT∶ICBA薄膜形貌会随存储时间的增加发生较大的改变。研究了通过添加PCBM作为第二受体来增强P3HT∶ICBA体系的稳定性。当加入4wt％ PCBM时，器件的稳定性达到最佳。根据TRPL光谱测定了P3HT∶PCBM和P3HT∶ICBA两种体系的PL衰减寿命分别为33.66ns和35.34ns，表明P3HT∶ICBA体系的激子分离效率低于P3HT∶PCBM体系。
　　(2)利用AFM和C-AFM研究了不同时间紫外-臭氧处理对PEDOT∶PSS薄膜表面形貌及导电性能的影响。结果表明:当处理时间为10s时，薄膜的导电性能最佳。制备的有机光伏电池器件性能结果与利用SPM得到的结果相符。利用AFM和C-AFM研究了不同预热温度对钙钛矿薄膜及太阳能电池器件性能的影响。研究结果表明:预热温度为130℃时，器件的性能最佳，JSC、VOC、FF和PCE分别为12.96mA/cm2、0.98V、0.51和6.51％。不同衬底预热温度将会影响CH3NH3PbI3薄膜中晶粒的大小、缺陷和覆盖率，导致薄膜电导率发生变化，从而影响到器件的性能。这是由于不同预热温度下PbI2具有不同的形貌，进而影响到后续的进一步与CH3NH2反应生成CH3NH3PbI3晶体。
　　(3)通过水热法，在诱导剂和分散剂作用下，利用N2H4还原Cu(NO3)2制备了Cu纳米线。采用多次旋涂的方法制备了PEDOT∶PSS/CuNWs/PEDOT∶PSS(PCP)多层薄膜。利用AFM、紫外可见光谱研究了PCP多层薄膜的物理性能。研究了基于P3HT∶PCBM体系以PCP多层结构为阳极缓冲层的有机光伏器件性能。利用AFM分析了PCP结构的表面形貌与器件性能之间的关系。结果表明:当CuNWs为6mg/ml时，PCP多层结构器件性能最佳。器件的FF为61％，Jsc为11.21mA/cm2，Voc为0.57V，PCE为3.90％。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 有机太阳能电池的介绍

1．2．1 基本工作原理

1．2．2 有机太阳能电池J-V曲线及性能参数

1．3 有机太阳能电池微观形貌与性能的关系

1．4 扫描探针显微镜的介绍

1．4．1 扫描探针显微镜的工作原理

1．4．2 扫描探针显微镜的分类

1．5 研究目的及研究内容

第二章 基于P3HT：ICBA体系的有机太阳能电池及性能优化

2．1 引言

2．2 器件的制备

2．2．1 实验所用药品试剂

2．2．2 实验所用仪器

2．2．3 有机太阳能电池的器件结构

2．2．4 制备过程

2．2．5 测试和表征

2．3 实验的结果及分析

2．3．1 器件的光电性能测试及分析

2．3．2 器件活性层的表面形貌分析

2．4 本章小结

第三章 利用SPM优化钙钛矿太阳能电池的制备

3．1 紫外臭氧处理PEDOT：PSS薄膜的表面性能研究

3．1．1 引言

3．1．2 器件的制备

3．1．3 实验结果及分析

3．2 预热温度不同对钙钛矿太阳能电池性能的影响

3．2．1 引言

3．2．2 器件的制备

3．2．3 实验结果及分析

3．3 本章小结

第四章 基于PEDOT：PSS／CuNWs／PEDOT：PSS阳极缓冲层的有机太阳能电池及性能优化

4．1 引言

4．2 CuNWs的制备步骤及性能分析

4．2．1 原料和药品

4．2．2 制备步骤

4．2．3 反应过程及生长机理

4．2．4 CuNWs的性能研究

4．3 具有PCP阳极介入层的有机太阳能器件的制备及性能研究

4．3．1 器件的结构和制备

4．3．2 器件的光电性能测试及分析

4．3．3 PCP空穴传输层的表面形貌分析

4．4 本章小结

第五章 全文总结与展望

5．1 全文总结

5．2 展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢