溶液法制备电极修饰层提高聚合物太阳能电池性能的研究

摘要

本论文介绍了利用溶液法制备电极修饰层，从而显著提高了聚3-己基噻吩∶(6，6)-苯基C60丁酸甲酯(P3HT∶PC61BM)体系聚合物太阳能电池性能的研究工作，并讨论了这些方法改善电池性能的工作机理。主要工作分为三个部分:首先用含有大粒径Ag纳米颗粒的PEDOT∶PSS溶液制备了阳极修饰层，研究该阳极修饰层对聚合物太阳能电池性能的影响;利用溶液法制各了微纳结构Al电极，研究微纳结构背（阴）电极对光伏器件性能的影响;利用单层聚乙二醇实现了同时对聚合物太阳能电池阳极和阴极的修饰，这一方法显著提高了聚合物太阳能电池的性能。具体研究内容如下:
　　1.Ag纳米颗粒阳极修饰对聚合物太阳能电池性能的影响。
　　分别将不同粒径的Ag纳米颗粒掺入PEDOT∶PSS阳极缓冲层，发现大粒径的Ag纳米颗粒增加了PEDOT∶PSS薄膜和活性层的表面粗糙度，缩短了载流子在活性层中的传输路径，从而提高了载流子传输效率。同时，PEDOT∶PSS薄膜和活性层大的接触界面以及Ag纳米颗粒改善的PEDOT∶PSS薄膜电导率都有利于电极对电荷的收集，提高了电极对电荷收集的效率，进而改善了器件的光伏性能。但同时发现，过大(80 nm)的Ag纳米颗粒穿入了活性层，破坏活性层和阳极界面的欧姆接触，导致光伏器件的漏电流较大，填充因子减小，反而不利于器件性能的进一步提高。
　　2.微纳结构改善背（阴）电极对聚合物太阳能电池性能的影响。
　　将丙二醇甲醚醋酸酯(P GMEA)掺入P3HT∶PCBM活性层溶剂，通过溶剂的超声处理和器件的退火制备活性层，在活性层表面出现尺寸300～400 nm、高度约20 nm的凸凹不平结构，使得在其表面上蒸镀的Al电极具有与活性层相互嵌套的微纳结构，从而制备了具有微纳结构背电极的聚合物太阳能电池。研究了PGMEA掺杂比例、溶剂超声时间和热退火处理工艺对光伏器件性能的影响，发现PGMEA掺杂体积比为2％、溶剂超声时间为15分钟、后退火时间为50分钟的器件性能最优，器件的能量转换效率达到了3.01％，相对于同样方法处理的未掺杂样品（能量转换效率为2.64％），提高了14％。借助于外量子效率谱、紫外可见吸收谱和AFM形貌表征等研究结果表明，微纳结构Al电极与活性层相互穿插，形成与活性层互补的凹凸不平的结构，缩短了电荷载流子在活性层中的传输路径，有利于减小载流子复合，提高载流子传输效率;微纳结构阴极增大了活性层与电极的接触面积，有利于电极对电子的收集，从而提高了器件效率。另外，微纳结构背电极使光产生漫反射，增大了光在活性层中的传播路径，有利于活性层对光的吸收，可进一步提高器件的光伏性能。
　　3.聚乙二醇同时修饰阳极和阴极对聚合物太阳能电池性能的影响。
　　将聚乙二醇掺入PEDOT∶PSS阳极缓冲层中，发现聚乙二醇可以改变PEDOT∶PSS的形貌，提高PEDOT∶PSS薄膜的电导率，改善阳极对电荷的收集效率，提高器件的光伏性能;将聚乙二醇掺入P3HT∶PCBM活性层，发现聚乙二醇可以向上迁移到活性层上表面形成阴极修饰层，减小活性层和Al电极之间的能级势垒，提高Al电极对电子的收集效率，改善聚合物太阳能电池效率。基于聚乙二醇可既能修饰阳极又能修饰阴极的特点，实验中将聚乙二醇旋涂在PEDOT∶PSS层的上方，制备结构为ITO/PEDOT∶PSS/PEG/P3HT∶PCBM/Al的光伏器件，发现聚乙二醇既能向下渗透进PEDOT∶PSS层，提高PEDOT∶PSS阳极缓冲层的电导率，同时又能向上迁移，穿透整个活性层，到达活性层与Al电极之间形成阴极缓冲层，从而使最终的器件结构变为ITO/PEDOT∶PSS∶ PEG/P3HT∶PCBM/PEG/Al。这样通过单次旋涂聚乙二醇薄膜，利用聚乙二醇分子向下和向上的迁移运动达到了既修饰聚合物太阳能电池阳极又修饰阴极的双重目的，进而大大提高了光伏器件的效率，使器件的能量转换效率从2.69％提高到3.88％。

目录

声明

致谢

摘要

序言

1 绪论

1．1 太阳能电池的研究背景

1．2 太阳能电池的分类

1．2．1 无机太阳能电池

1．2．2 有机无机杂化太阳能电池

1．2．3 有机太阳能电池

1．3 有机太阳能电池的工作机理

1．3．1 有机太阳能电池的光电转化过程

1．3．1 有机太阳能电池的能量损失机制

1．4 太阳能电池的主要性能参数

1．5 有机太阳能电池的器件结构

1．6 有机太阳能电池性能提高的研究

1．6．1 光活性层材料的开发

1．6．2 设计新的器件结构

1．6．3 界面修饰

1．7 本论文的主要研究工作

2 银纳米颗粒阳极修饰对聚合物太阳能电池性能的影响

2．1 引言

2．2 粒径为40nm的Ag纳米颗粒对光伏器件性能的影响

2．2．1 器件制备与测试

2．2．2 结果与讨论

2．3 大粒径银纳米颗粒对聚合物太阳能电池性能的影响

2．3．1 Ag纳米粒子的合成

2．3．2 器件制备及性能测试

2．3．3 结果与讨论

2．4 本章小结

3 微纳结构修饰背(阴)电极对聚合物太阳能电池性能的影响

3．1 引言

3．2 微纳结构阴极的制备

3．3 微纳结构背电极对聚合物光伏器件性能的影响

3．3．1 器件制备与测试

3．3．2 结果与讨论

3．4 本章小结

4 聚乙二醇阴／阳电极双功能修饰层对聚合物太阳能电池性能的影响

4．1 引言

4．2 PEDOT：PSS：PEG阳极缓冲层对光伏器件性能的影响

4．2．1 实验材料及器件制备

4．2．2 PEG掺杂对PEDOT：PSS薄膜电导率的影响

4．2．3 光伏器件的制备与测试

4．2．4 结果分析与讨论

4．3 聚乙二醇修饰阴极对聚合物太阳能电池性能的影响

4．3．1 实验材料及器件制备

4．3．2 结果与讨论

4．4 聚乙二醇同时对聚合物太阳能电池阴极和阳极进行修饰的研究

4．4．1 器件的制备及性能测试

4．4．2 薄膜的性能表征

4．4．4 光伏器件的性能分析

4．5 本章小结

5 结论

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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