基于氧化石墨烯/P3HT有机太阳能电池研究

摘要

由于有机聚合物太阳能电池的转换效率较低，可以通过对不同活性材料的设计和选择方法的改进，使有机聚合物太阳能电池的性能上有所突破，缓解亟待解决的能源危机。氧化石墨烯材料是通过sp2杂化碳原子成键，具有蜂窝状的二维平面结构。当氧化石墨烯与高分子材料复合的时候，能够形成相当大的界面，提高激子的扩散速率和载流子的迁移率，并且不会造成电荷传输路径破坏而产生的二次聚集。因此，石墨烯是有机聚合物太阳能电池的受体材料的一个非常好的选择。本文的主要研究内容如下：
　　1、采用Hummers法制备氧化石墨烯，使石墨烯的层数、尺寸和缺陷得到有效的控制。采用SEM、TEM、AFM、偏光显微镜和Raman光谱对其形貌进行了表征，XRD、FT-IR对其化学结构进行了分析。经过分析可以说明所制备的氧化石墨烯横向尺寸达到微米级，在厚度方向上可达到1nm左右，且其表面粗糙，制得的氧化石墨烯层数平均在1-3层；氧化石墨烯薄膜受热力学涨落影响明显，表面呈明显褶皱起伏状，具有大的比表面积。由于氧化石墨烯不溶于有机溶剂，我们采用异氰酸苯酯处理氧化石墨烯，使石墨氧化物片层减少亲水性，进而使其在有机溶剂可溶。
　　2、将P3HT作为给体材料，以氧化石墨烯作为受体材料，制备了结构为ITO/PEDOT：PSS/P3HT：SPFGraphene Oxide/LiF/Al的有机太阳能电池，以提高太阳能电池器件的效率，研究不同氧化石墨烯浓度与开路电压、短路电流和填充因子的关系。在常温下通过模拟光源对电池进行测试，当氧化石墨烯浓度为2.5％、5％、10％和15％时，器件光电转换效率分别是0.05％、0.06％、0.11％和0.1％，短路电流和开路电压的变化范围分别是0.42～0.68 mm/cm2和0.5～0.82V。器件的开路电压、短路电流和光电转换效率呈现先增大，逐渐达到一个峰值，然后减小的趋势。
　　3、通过研究氧化石墨烯的差重分析曲线，发现了退火温度与重量变化的关系，和退火温度对材料的影响。研究器件经过160℃，10min和160℃，20min的不同退火处理后对器件的I-V特性的影响。经过测试可以看出，电池的开路电压，短路电流以及效率得到了明显的提升，其中短路电流提升了一个数量级左右。掺杂浓度为10％的器件经过160℃，10min的退火处理对器件性能的提高最明显，器件的开路电压为0.92V，短路电流为4.1mm/cm2，填充因子为0.32，效率达到最高值1.2％。