基于富勒烯衍生物界面修饰的高效聚合物太阳电池

摘要

近年来，聚合物太阳电池由于成本低，重量轻，易制造、可被加工成柔性器件等优势，引起了极大的关注。目前做的主要的研究都是旨在提高聚合物太阳电池的器件效率和稳定性。而达到这一要求的方法就是设计和合成高效率的光伏材料或者新的器件结构。本文主要的研究集中在活性层和电极层之间的界面修饰层上，而富勒烯衍生物，考虑其n型半导体特性可以作为理想的阴极缓冲层的材料，且它具有较高的电子迁移率，并与活性层中使用的富勒烯受体(如PCBM)有良好能级匹配性，是一种良好的界面修饰材料。本文主要从材料的设计合成、电池界面的优化角度展开工作。研究内容和研究结果概述如下： ⑴设计并合成两种新的胺基改性的PCBM衍生物，PCBDAN和PCBDANI作为新的阴极修饰层，这两种修饰层由实验室合成而来，加工简单，并且能够用于柔性太阳电池，使电池的大规模生产成为可能。器件的制备工艺简单，修饰层溶于醇溶液，也无需热退火。这有利于器件的重复性和制备的可操作性。使用PCBDAN和PCBDANI作为阴极极修饰层能够避免空气中水分和氧气对Ca腐蚀氧化，大大的提高器件的稳定性。从实验结果来看，用PCBDAN和PCBDANI作为阴极修饰层时，基于P3HT∶PC60BM体系的转换效率分别为4.16％和3.94％，基于PBDTTT-C-T∶PC70BM体系的转换效率为7.70％和7.69％，光电性能比未使用修饰层的各活性层体系有着显著地提高。这说明合成的富勒烯衍生物PCBDAN和PCBDANI是一种很有应用价值的电子传输层材料。 ⑵以乙酰丙酮锆作为电子传输层制备高性能的聚合物太阳电池，Zracac电子传输层是一种透明的高性能的电子收集层，能够有效的改变光电活性层的光场分布，尤其是在400-550nm可见光范围内。对可见光吸收增加，能够有效的增加光电流，从而提高电池效率。Zracac电子传输层具有普适性，不仅适用于传统的P3HT结构，也适用于窄带系材料。在AM1.5G，100mW/cm2模拟光照条件下，基于P3HT∶PC60BM体系的聚合物太阳电池的性能非常优越，其光电转换效率达到了4.23％。基于窄带系给体材料PBDTBDD的效率达到了8.77％，其中最高的电池效率达到9.03％。乙酰丙酮锆是一种理想的阴极修饰层材料，具有良好的透光性，并且溶于醇溶液，不需热退火，稳定性很好，是Ca的理想替代材料。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 聚合物太阳电池的发展历程

1．2 聚合物太阳电池

1．2．1 聚合物太阳电池的工作原理

1．2．2 聚合物太阳电池器件的性能参数

1．3 聚合物太阳电池材料方面的研究

1．3．1 给体材料

1．3．2 受体材料

1．4 聚合物太阳电池器件方面的研究

1．4．1 溶剂效应

1．4．2 给受体共混比例对活性层形貌的影响

1．4．3 热退火和溶剂退火对活性层形貌的影响

1．4．4 添加剂对活性层形貌和器件光伏性能的影响

1．5 聚合物太阳电池的界面修饰

1．5．1 阳极修饰层

1．5．2 阴极修饰层

1．6 论文选题依据与研究内容

第2章 器件制备及性能表征

2．1 材料的光物理及电化学性能表征

2．1．1 实验设备与装置

2．1．2 光物理性能表征

2．1．3 电化学性能表征

2．2 器件制备与性能表征

2．2．1 器件的基本制备流程

2．2．2 器件的性能表征

2．3 常规试剂与耗材总结

第3章 富勒烯衍生物界面修饰层在聚合物太阳电池中应用

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验材料

3．2．2 器件的制备与表征

3．2．3 仪器与测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 聚合物太阳电池结构的设计

3．3．2 阴极修饰层与共混膜的形貌

3．3．3 器件光伏性能分析

3．4 本章小结

第4章 醇溶性修饰层在聚合物太阳电池中的应用

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验材料

4．2．2 器件的制备与表征

4．2．3 仪器与测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 聚合物太阳电池结构的设计

4．3．2 修饰层的物理性能

4．3．3 光伏器件性能

4．3．4 不同共混膜与修饰层的形貌

4．3．5 高效率器件的光伏性能

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢