基于热退火和修饰层改善体异质结有机器件效率研究

摘要

随着人类对能源的需求量不断增加，传统的矿物能源如煤、石油在地球上的存储量已不容乐观。开发环保、可再生型能源替代传统的矿物能源成为解决全球能源和环境问题的关键。其中，太阳能以其取之不尽、用之不竭，无污染等独特优势备受人类关注。1954年，美国贝尔实验室的Pearson等人制作出世界第一块p-n结晶体硅太阳能电池器件，拉开了太阳能光伏发电的序幕。但是，受制于制备成本过高、制作工艺复杂、成本回收周期长等原因，以单晶硅和多晶硅为代表的硅基太阳能电池很难大规模投入实际应用中。
　　基于制造成本低、材料柔韧性好、材料轻便、具有可设计与合成等优点的有机材料对开发低成本、无污染以及能够大规模投入使用的新型太阳能电池至关重要。1995年，加州大学圣巴巴拉分校的Yu G.等首次提出了体异质结聚合物太阳能电池的概念。近些年来，关于体异质结聚合物太阳能电池的研究主要以提高其能量转化效率为主。研究者主要从改造有机材料的能级结构、调节增加活性层光场、改善有机器件的电极修饰层以及改进体异质结聚合物器件的结构等几方面来提高体异质结聚合物器件的能量转换效率。
　　本文在第三章介绍了体异质结有机太阳能电池的制备以及测试工艺。研究了热退火对P3HT:PCBM器件能量转换效率的影响。实验中制备了结构为ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al的体异质结聚合物器件，在150℃条件下，对器件进行热退火处理后，经过测试器件的性能参数Voc=0.5801V，Jsc=5.775mA/cm2，FF=0.4603，η=1.542％。器件参数性能的提高归因于适当的热退火不仅拓宽了给体材料的光谱吸收范围，而且优化了活性层的形貌等。
　　本文在第四章研究了LiF阴极修饰层对P3HT:PCBM器件的能量转换效率的影响。经过LiF绝缘层修饰后的P3HT:PCBM体异质结聚合物器件，其性能参数Voc=0.6204V，Jsc=10.85mA/cm2， FF=0.5247以及能量转换效率η=3.532％。器件短路电流的改善归因于适当厚度的LiF修饰层在Al界面形成偶极矩，加强了电荷的传导;器件开路电压的改善归因于LiF修饰层降低了Al电极的功函数。但是经热退火处理后的ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al器件，其能量转化效率下降至1.417％，这归因于热退火使LiF扩散到活性层破坏了活性层的形貌。
　　最后总结了论文内容和下一步尚需完成的工作。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 有机聚合物太阳能电池的光伏原理

1．3 有机聚合物太阳能电池的性能参数

1．4 有机聚合物太阳能器件的等效电路

第2章 体异质结聚合物太阳能电池简介

2．1 体异质结聚合物有机太阳能电池的结构

2．1．1 体异质结聚合物太阳能电池的活性层材料

2．1．2 体异质结聚合物太阳能电池的电极修饰层

2．1．3 体异质结聚合物太阳能电池的电极

2．2 体异质结聚合物太阳能电池的研究现状

2．2．1 改造有机材料的能级结构

2．2．2 调节增强活性层的光场

2．2．3 改善有机器件的电极修饰层

2．2．4 改进有机器件的结构

第3章 热退火改善体异质结聚合物器件效率的研究

3．1 体异质结聚合物电池工艺与性能测试

3．1．1 实验仪器与材料

3．1．2 实验步骤

3．2 热退火改善体异质结聚合物器件效率的研究

3．2．1 热退火改善体异质结P3HT∶PCBM器件效率的机理

3．2．2 实验部分

3．2．3 实验结果与讨论

3．3 本章小结

第4章 阴极修饰层改善体异质结聚合物器件效率研究

4．1 LiF绝缘层改善体异质结有机器件的机理

4．2 实验部分

4．2．1 活性层退火后经LiF修饰的P3HT∶PCBM器件

4．2．2 LiF修饰的P3HT∶PCBM器件的退火处理

4．3 实验结果与分析

4．4 本章小结

第5章 总结

5．1 论文工作总结

5．2 尚需完成的工作

参考文献

附录

个人简历与硕士期间发表论文

致谢