聚合物太阳能电池的阴极界面调控与超薄金属透明电极的制备

摘要

聚合物太阳能电池具有质量轻，成本低，制备工艺简单，可以通过卷对卷印刷技术实现大面积制备等优点，近年来受到了广泛的研究。随着新型给体材料和受体材料的合成，新型器件结构的应用以及界面调控，聚合物太阳能电池的器件效率取得了极大的发展。单节聚合物太阳能电池的最高能量转换效率超过12％。但是与无机薄膜太阳能电池相比，聚合物太阳能电池在器件效率和稳定性等方面仍存在一定的差距。为了寻找提高聚合物太阳能电池器件性能的方法，本论文从聚合物太阳能电池的阴极界面调控和超薄金属透明电极的制备两个方面进行了探索，主要研究内容如下：
　　（1）水/醇溶聚合物PFEOSO3Na被引入正式构型聚合物太阳能电池中作为阴极界层。通过对器件制备工艺进行优化，PFEOSO3Na阴极界面层在基于P3HT:PCBM，PCDTBT:PC71BM，PBDTTT-C:PC71BM，PDPP3T:PCBM和PTB7:PC71BM活性层的器件中均有良好的应用，验证了PFEOSO3Na阴极界面层的普适性。
　　PDPP3T:PCBM薄膜和a-Si薄膜对太阳光的吸收具有良好的互补性，通过制备有机（PDPP3T:PCBM）/无机（a-Si）杂化叠层太阳能电池将叠层电池对太阳光的吸收拓展到950nm，并且使用PFEOSO3Na作为有机子电池的界面层，最后叠层电池获得了最高7.49%的器件效率。
　　PFEOSO3Na阴极界面层使用甲醇作为溶剂，单独使用甲醇溶剂处理活性层表面可以提高活性层表面的电势，使PC71BM在PTB7:PC71BM表面富集。采用甲醇处理和PFEOSO3Na阴极界面层共同修饰活性层的方法，在PTB7:PC71BM器件中获得了超过9%的器件效率。
　　（2）采用ZnO/PFEOSO3Na双阴极界面层制备了高效率的反式构型聚合物太阳能电池。与氧化锌（ZnO）修饰的ITO相比，ZnO/PFEOSO3Na修饰的ITO具有较高的透过，更光滑的表面和更低的功函。并且ZnO/PFEOSO3Na薄膜具有更高的电子迁移率。与单独使用ZnO的器件相比，使用ZnO/PFEOSO3Na双阴极界面层的器件具有更低的暗电流和更匹配的能级排列。以ZnO/PFEOSO3Na为阴极界面层的PTB7:PC71BM器件获得了8.49%的器件效率，超过了单独使用ZnO作为阴极界面层的标准器件（7.48%）。同时，使用ZnO/PFEOSO3Na作为阴极界面层的PTB7-Th:PC71BM器件获得了9.41%的器件效率。
　　（3）在反式构型聚合物太阳能电池中，引入低成本的1-芘甲醇（PyM）作为阴极界面层修饰ZnO。PyM通过与ZnO形成氢键紧密结合在一起，自组装在ZnO表面，改善ZnO的表面性质。使用ZnO/PyM的器件电子迁移率相比单独使用ZnO的器件提高一个数量级。使用ZnO/PyM双阴极界面层的PTB7-Th:PC71BM器件获得了8.27%的器件效率，与只有ZnO作为界面层的标准器件相比，器件效率提高了20%，PyM的引入有效的提高了器件的JSC和FF，并且器件对PyM厚度不敏感，从而有利于实现大面积的卷对卷生产。ZnO/PyM双阴极界面层在PTB7:PC71BM器件中同样取得了良好的应用。在PTB7:PC71BM器件中对ZnO进行PyM掺杂也取得了良好的效果。
　　（4）通过热蒸镀工艺制备了超薄金属透明电极Glass/MoO3/Au/Ag。Au种子层的引入使Ag的厚度只有4nm时即可得到连续光滑的Ag薄膜。Glass/MoO3(3nm)/Au(2nm)/Ag(4nm)具有比ITO更光滑的表面。ZnO薄膜既可以作为减反层提高金属电极的透过还可以作为阴极界面层修饰金属电极。27nmZnO薄膜修饰的金属电极在480nm到680nm之间，透过大于80%，并且可以直接用作聚合物太阳能电池的阴极。使用超薄金属透明电极作为阴极，在基于PTB7:PC71BM活性层的反式构型聚合物太阳能电池中，获得了5.20%的器件效率。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 聚合物太阳能电池简介

1.3 聚合物太阳能电池的界面调控

1.4 聚合物太阳能电池的透明导电电极

1.5 本论文的研究内容及意义

2 水/醇溶聚合物阴极界面层修饰的正式聚合物太阳能电池

2.1 实验试剂和设备

2.2 PFEOSO3Na作为阴极界面层的正式聚合物太阳能电池

2.3 甲醇处理和PFEOSO3Na阴极界面修饰的正式聚合能太阳能电池

3 ZnO/PFEOSO3Na双阴极界面层修饰的反式聚合物太阳能电池

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

4 1-芘甲醇在反式聚合能太阳能电池中的应用

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

5 超薄金属透明电极作为阴极的反式聚合物太阳能电池

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果和讨论

5.4 本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表论文