有机太阳能电池石墨烯界面材料的研究与应用

摘要

近年来，能源问题越来越受到大家的关注，高效率、低成本的有机太阳能电池作为一种利用新能源的方法被人们的广泛研究。文献中已经报导的单层有机太阳能电池已经有超过16%的能量转换效率，但有机太阳能电池要实现商业化，能量转换效率仍然没有达到应用要求。目前有机太阳能电池仍存在以下一些问题：1、器件制备过程中大多使用有毒的有机溶剂，污染环境，增加成本；2、电极材料和活性层之间能级不匹配存在势垒，需要引入界面层，而常用的阳极界面层PEDOT:PSS又因为酸性、吸湿性等影响器件的稳定性。而石墨烯因其特殊的结构具有很多优异性能，如良好的透光性、高导电性、室温下高载流子迁移率等，决定了其可以作为阳极界面层应用到有机太阳能电池中。　　针对以上问题，本文提出了以下解决方案：　　1、本文以改性石墨烯作为阳极界面层应用到有机太阳能电池反式器件中。为减少有机溶剂的使用，设计制备磺酸基接枝改性的水/醇分散性石墨烯，以两种尺寸的石墨粉为原料，利用插层剂对石墨粉进行插层，再超声剥离得到两种尺寸的石墨烯，通过红外光谱(FT-IR)、热重分析(TGA)、激光拉曼光谱(Raman)、X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)及扫描电镜(SEM)等多种表征手段对获得的石墨烯表征和分析，对比两种尺寸的石墨烯品质，结果表明大尺寸石墨烯1品质更好，尺寸为微米级，厚度为1.5nm，层数为少数几层，在水/醇中分散性更好，后续应用中可溶液加工。　　2、为了满足界面材料的导电性以及与活性层、电极材料之间的能级匹配，采用季铵盐对石墨烯材料进行进一步改性，并通过循环伏安法(CV)测试，利用CV曲线计算出改性石墨烯材料的HOMO能级，结果表明季铵盐可以提高石墨烯材料的HOMO能级，并改善导电性，为后续制备高效率低成本的有机太阳能电池器件提供理论依据。　　3、将改性石墨烯应用到有机太阳能器件中，阳极界面层采用改性石墨烯/MoO3双层结构，与单层MoO3结构器件相比，季铵盐改性石墨烯的加入使短路电流密度提高了5%，填充因子提高了30%，能量转换效率提高了36%，说明改性石墨烯可以作为有机太阳能电池的阳极界面层，提高器件性能。

目录

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目 录

第 1 章 绪 论

1.1有机太阳能电池研究背景及意义

1.2有机太阳能电池结构

1.3有机太阳能电池基本原理

1.4有机太阳能电池材料

1.4.1电极材料

1.4.2给体材料

1.4.3受体材料

1.4.4界面材料

1.5石墨烯界面材料

1.6本论文的研究意义及主要实验内容

1.6.1研究意义

1.6.2主要实验内容

第 2 章 磺酸基功能化制备水/醇分散性石墨烯

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验试剂

2.2.2 主要实验仪器

2.2.3 实验原理

2.2.4 实验步骤

2.3分析与测试

2.3.1傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)

2.3.2热重分析测试(TGA)

2.3.3激光拉曼光谱测试(Raman)

2.3.4 X 射线衍射测试(XRD)

2.3.5原子力显微镜测试(AFM)

2.3.6扫描电子显微镜测试(SEM)

2.4 结果与讨论

2.4.1水/醇分散性石墨烯(SO-GR)的化学组成

2.4.2水/醇分散性石墨烯的结构表征

2.4.3水分散性石墨烯的形貌表征

2.4.4石墨烯水分散液

2.5本章小结

第 3 章 功能化石墨烯的电化学性能

3.1引言

3.2 实验材料及仪器设备

3.2.1主要实验材料

3.2.2 主要实验仪器设备

3.3 实验原理

3.3.1 循环伏安法计算能级

3.3.1 季铵盐改性石墨烯

3.4 实验步骤

3.2.4 溶液配制

3.2.4 CV 测试

3.4 实验结果与讨论

3.4.1石墨烯浓度对电化学性能的影响

3.4.2季铵盐对石墨烯电化学性能的影响

3.4.3分散剂对石墨烯电化学性能的影响

3.5 本章小结

第 4 章 SO-GR 作为阳极界面层在 OSCs 中的应用

4.1 引言

4.2 实验设备及器件结构

4.3 实验步骤

4.3.1 器件制备

4.3.2 器件测试

4.4 实验结果与讨论

4.4.1不同阳极界面层对器件性能的影响

4.4.2退火温度对器件性能的影响

4.4.3改性石墨烯界面厚度对器件性能的影响

4.4.4石墨烯添加季铵盐改性对器件性能的影响

4.5 本章小结

结 论

展望

参考文献

附录 A 攻读硕士期间发表的学术论文

致 谢