有机太阳电池器件工程:界面修饰、形貌调控和器件结构设计

摘要

有机光伏器件技术可以有效将太阳能转换成电能，同时具有质轻、柔性、制备成本低等优点，有望解决人类面临的能源问题。目前，器件性能差是制约有机太阳电池进一步发展的关键。研究表明，有机太阳电池性能的提高，不仅需要光敏层材料的进步，更和有机光伏器件工程密切相关，即形貌调控、界面修饰和器件结构设计等。 在本论文中，我们围绕有机太阳电池中的器件工程做了以下工作: 在界面修饰方面:我们首次将受体型的二氯酞菁锡用作MEH-PPV∶PC61BM本体异质结太阳电池阴极界面层。二氯酞菁锡作为一种电子受体，具有较高的迁移率(0.1cm2/V·s)和载流子浓度。研究表明二氯酞菁锡与MEH-PPV之间存在较强的电荷转移效应，使阴极界面处MEH-PPV中的激子分离效率显著提高。同时，一氯酞菁锡LUMO能级介于PC61BM与铝电极之间，进一步降低了阴极界面的势垒高度，并抑制电荷复合。因此二氯酞菁锡的加入提高了器件的短路电流密度。同时，通过改进等效电路模型分析了界面能级不匹配等因素造成的器件S形I-V曲线的根源。在传统电路模型的基础上，我们添加了一个与之串联的具有整流特性的结。研究表明，改进等效电路模型可以很好的再现实验S形I-V曲线，这证明了该等效电路模型的有效性，同时说明存在于D/A结串联的整流结是S型I-V曲线出现的根源。根据改进等效电路模型，我们对S形I-V曲线的变化规律进行了分析，研究了整流结器件参数变化对电池器件I-V曲线的影响规律。 在形貌调控方面:我们发现相比于氧化铟锡透明基底，酞菁铜分子在三氧化二锑薄膜上分子平面与衬底的倾斜角变小。这种分子取向的改变，使酞菁铜分子间π-π堆积距离变小，从而使酞菁铜薄膜的光吸收系数变大、电荷传输变好。此外，三氧化二锑薄膜诱导酞菁铜微纳形貌形成了更大的晶粒和晶簇。因此，使酞菁铜/富勒烯双面异质结器件电池的短路电流密度显著增大。共轭高分子链段间强π-π相互作用会使部分共轭高分子以一定的聚集态结构分散在溶液中，而非完全溶解。我们通过改变溶剂研究了PBDT-CT共轭高分子在溶液中的聚集态结构。并且发现这种聚集态结构可以直接过渡到薄膜状态，从而影响到高分子/富勒烯薄膜的相分离形貌。据此，我们制备了形貌可控的聚合物/富勒烯衍生物光敏层薄膜，并研究了其对电池器件性能的影响。和传统将溶液挥发到周围气氛中使薄膜变干工艺不同，浸没沉淀是一种通过将湿膜中的残余溶剂萃取到对溶剂分子选择可溶的萃取溶剂并使湿膜迅速变干工艺。我们发现，浸没沉淀可以改变成膜过程动力学，使光敏层薄膜表面粗糙度变大，给受体之间的相分离结构也变得更清晰。因此，经过浸没沉淀处理，光敏层形成了良好的电子、空穴连续传输的通道，从而提高了载流子迁移率和器件性能。 在器件结构设计方面:我们设计并制备了以超薄银为中间电极的高性能有机并联叠层电池。不同于常见的串联叠层结构，并联叠层电池短路电流密度是两个亚器件的叠加，而不需要考虑亚电池短路电流密度匹配的问题。该器件结构包括了一个基于超薄银的半透明前电池和一个具有光学微区效应的背电池。结合光学微区和叠层结构，并通过调控光场强度在器件中的分布，我们制备了光利用率高达90％以上，外量子效率峰值达84％，效率为9.2％的并联跌层器件。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 太阳光谱特点

1．2 有机太阳电池器件结构

1．3 有机光伏器件光敏层材料特点

1．3．1 电子给体材料

1．3．2 电子受体材料

1．4 工作原理

1．4．1 光子吸收和激子的形成、扩散与复合

1．4．2 激子的分离和电荷转移态

1．4．3 光生载流子的传输和复合

1．4．4 电荷在电极的收集

1．5 器件等效电路模型和基本参数

1．5．1 等效电路模型

1．5．2 电池工作曲线和器件参数

1．6 形貌调控

1．7 界面工程

1．8 叠层电池

参考文献

第2章 二氯酞菁锡作为阴极秀面层在MEH-PPV：PC61BM太阳电池中的应用

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料

2．2．2 实验仪器

2．2．3 器件制备和表征

2．3 结果和讨论

2．3．1 二氯酞菁锡作为阴极界面的电池性能

2．3．2 二氯酞菁锡薄膜对电荷产生的影响

2．3．3 二氯酞菁锡对电荷注入的影响

2．4 小结

参考文献

第3章 三氧化二锑作为界面层对酞菁铜形貌和器件性能的影响

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料

3．2．2 实验仪器

3．2．3 器件制备和表征

3．3 结果和讨论

3．3．1 Sb2O3薄膜对酞菁铜分子取向的影响

3．3．2 Sb2O3薄膜对酞菁铜薄膜吸收光谱的影响

3．3．3 Sb2O3薄膜对酞菁铜薄膜形貌的影响

3．3．4 Sb2O3薄膜作为阳极界面层对器件性能的影响

3．3．5 Sb2O3对短路电流密度和填充因子的影响

3．4 小结

参考文献

第4章 等效电路法分析有机太阳电池中S型曲线

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 实验原料

4．2．2 实验仪器

4．2．3 器件制备和表征

4．2．4 模拟方法

4．3 结果和讨论

4．3．1 传统等效电路模型与改进后的等效电路

4．3．2 器件光照I-V曲线

4．3．3 电池暗态I-V曲线

4．3．4 S形I-V曲线等效电路拓展研究

4．3．5 边界条件和应用

4．4 小结

参考文献

第5章 共轭高分子在溶液中的聚集态结构及其对聚合物／富勒烯薄膜形貌和器件性能的影响

5．1 前言

5．2 实验部分

5．2．1 实验材料

5．2．2 实验仪器

5．2．3 器件制备和表征

5．3 结果和讨论

5．3．1 溶剂位阻效应对于PBDT-CT溶液聚集态结构的影响

5．3．2 共轭高分子溶液中聚集态结构的光学特性

5．3．3 溶液共轭高分子聚集态结构对固态薄膜形貌和光学性质的影响

5．3．4 PBDT-CT：PC61BM薄膜形貌随比例的变化

5．3．5 高分子溶液聚集态结构对PBDT-CT：PC61BM薄膜形貌和吸收光谱的影响

5．3．6 共轭高分子溶液中聚集态结构对于器件I-V特性曲线的影响

5．3．7 溶液聚集态结构对器件外量子效率的影响

5．4 小结

参考文献

第6章 浸没沉淀成膜法对有机太阳电池形貌和性能影响

6．1 前言

6．2 实验部分

6．2．1 实验材料

6．2．2 实验仪器

6．2．3 器件制备和表征

6．3 结果和讨论

6．3．1 浸没沉淀法成膜过程

6．3．2 浸没沉淀对薄膜形貌的影响

6．3．3 浸没沉淀对于器件性能的影响

6．4 小结

参考文献

第7章 高性能有机并联叠层太阳电池

7．1 前言

7．2 实验部分

7．2．1 实验材料

7．2．2 实验仪器

7．2．3 器件制备和表征

7．2．4 光学模拟

7．3 结果和讨论

7．3．1 超薄银纳米薄膜的光学、电学特性

7．3．2 光敏层材料特性和单结电池器件性能

7．3．3 半透明器件光学、电学特性

7．3．4 具有光学微区效应的顶入射器件

7．3．5 并联叠层器件光学模拟

7．3．6 前、背亚电池相同光敏层材料的有机叠层器件性能

7．3．7 前、背亚电池光敏层材料吸收互补的并联叠层电池

7．4 小结

参考文献

第8章 全文总结

8．1 本文主要内容

8．2 本文主要创新之处

8．3 展望

作者简介

攻读博士学位期间发表学术论文情况