提高體異質結有機太陽能電池特性的研究_圖文

1、北京交通大學碩士學位論文提高體異質結有機太陽能電池特性的研究姓名:胡濤申請學位級別:碩士專業(yè):物理電子學指導教師:徐敘瑢20090501 提高體異質結有機太陽能電池特性的研究作者:胡濤學位授予單位:北京交通大學相似文獻(10條1.學位論文雷德生C<,60>和PCBM共摻P3HT體異質結太陽能電池的研究2009太陽能作為一種清潔的可再生能源越來越引起人們的重視,無機太陽能電池能量轉換效率可以輕松突破15%,但是由于硅材料具有較高的成本,使其發(fā)展大受限制。而對于聚合物光伏器件,由于其具有較低的材料和制作成本、良好的機械性和柔韌性、化學結構的可操作性使其變得非常有潛力,當前基于PCBM(

2、6,6-pheny1 C61-butyric Acid Methyl Ester和P3HT(Poly(3-Hexylthiophene的光伏器件能量轉換效率可以突破6%,與無機太陽能電池相比,其轉換效率比較低,發(fā)展受到一定制約。因此目前的研究主要集中在材料的選擇和器件結構的優(yōu)化上面。本文首先回顧了基于聚合物/富勒烯的體異質結太陽能電池的發(fā)展歷程和發(fā)展現(xiàn)狀;而后介紹在聚合物光伏中常用的幾種材料器件的結構,接著介紹了有機光伏的基本機理。最后針對目前有機光伏光電轉換率較低的不足,使用C60和PCBM作為電子受主共同摻雜到施主材料P3HT中,分析了C60在改善器件性能方面的作用,同時研究了退火方式以及

3、溶劑效應對于P3HT:PCBM:C60體異質結光伏體系微區(qū)形貌和器件性能的影響。本文使用C60和PCBM作為電子受體對P3HT摻雜制成體異質結太陽能電池,分別制備了ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/A1和ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM:C60/A1器件,通過改變制作工藝,經過分析各種器件的-曲線,結果表明以PCBM和C60共同作為電子受主效率明顯優(yōu)于單純使用PCBM,太陽能電池的光電轉換效率有了顯著的增長;ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM:C60/A1器件在不同退火方式和退火溫度下性能有很大的不同,使用器件退火(post-anneal的方式,在140

4、下對光伏器件熱處理10分鐘,器件的性能較高;不同溶劑對有機薄膜的微區(qū)形貌有很大影響,最終影響電池的光電轉換效率。具體結果如下:1.在C60加入以后,改善了電子受主材料(PCBM+C60的LUMO能級(Lowest Unoccupied Molecular Orbital(最低未占據(jù)軌道,使得太陽能電池的開路電壓有了一定的增長。2.證實了器件退火的方法可以有效增大器件的并聯(lián)電阻和開路電壓;同時使用器件退火的方式減少了串聯(lián)電阻,使有機層和金屬電極之間有更好的分離界面,薄膜有更好的自組裝效應,太陽能電池有更高的的短路電流密度;且以PCBM和C60共摻P3HT的光伏器件,在140下對器件退火處理,薄膜

5、內三種物質有最佳的相分離尺度,器件的性能也相應較高。3.C60在不同溶劑中溶解度不同,實驗證明其在鄰二氯苯(1.2-dichlorobenzene(ODCB中有較好的溶解度;P3HT:PCBM:C60三種材料溶于ODCB時,器件有更好的表面形貌,最終改善了器件的短路電流密度和光電轉換效率。4.鄰二氯苯(DCB為溶劑的前提下,P3HT:PCBM:C60薄膜的形貌要優(yōu)于P3HT:PCBM的形貌;使用氯苯(CB:鄰二氯苯(ODCB的混合溶劑,隨著C60的加入,甚至可以產生貫穿整個有機層的C60電子傳輸通道,提高了有機層的電子傳輸能力和陰極的電子收集能力:即在金屬電極附近,受主分子的相對面積變大,解決

6、了體異質結中電子、空穴不能分別被陰極、陽極所接收的問題,最終改善了太陽能電池的光電轉換效率(PCE=5.38%。2.學位論文蘇夢蟾聚合物有機太陽能電池器件的研究2006當今世界隨著經濟的快速發(fā)展,能源問題越來越引起人們的重視。礦物燃料枯竭引起的能源危機,燃燒礦物燃料引起的溫室效應使得人類的生存環(huán)境面臨重大挑戰(zhàn)。占地球總能量99以上的太陽能逐漸進入人們的視野,太陽能所具有的分布廣闊獲取方便、對人無害不污染環(huán)境、取之不盡用之不竭的優(yōu)點受到眾多科學家的青睞。本論文則是針對具體基于聚合物有機太陽能電池的研究,主要在兩個方面進行了有益探索:第一,對于不同結構的有機太陽能電池的比較研究。我們使用了MEH-

7、PPV為給體(空穴傳輸、C60為受體(電子傳輸首先制備了分層和體異質結結構的兩聃器件,器件結構為ITO/PEDOT:PSS/MEH-PPV/C<,60>Al和ITO/PEDOT:PSS/MEH-PPV:C<,60>/Al。之后又制備了結構為ITO/PEDOT:PSS/MEH-PPV:C<,60>/C<,60>/Al的第三個器件。我們比較了這三種器件的光伏性質,發(fā)現(xiàn)器件3的短路電流密度(Jsc比器件1和器件2的分別增加了300和150,開路電壓(V<,oc>分別增加了100和20。這主要是由于C<,60>層增加了電子由受體傳

8、輸?shù)截撾姌O的通道并增大了給體受體界面面積。另一原因是這一C<,60>層一定程度地阻擋了空穴從有機物向陰極的傳輸。因此這一結構上的改進有效地改善了電池的性能。第二,基于對前面工作的進一步深入,探討了對于有機太陽能電池的陽極修飾的比較研究,得到了令人興奮的結果。在這一部分共制備了四種不同結構的有機太陽能電池器件。其器件結構是,器件1:ITO/LiF/PEDOT:PSS/MEH-PPV/C<,60>/Al、器件2:ITO/PEDOT:PSS/MEH-PPV/C<,60>/Al、器件3:ITO/LiF/PEDOT:PSS/MEH-PPV:C<,60>/C

9、<,60>/Al和器件4:ITO/PEDOT:PSS/MEH-PPV:C<,60>/C<,60>/Al。之后我們測量了它們的電流一電壓特性,結果顯示出在ITO和PEDOT:PSS之間插入一薄層LiF使得器件性能得到較大提高。其器件1的J<,SC>和FF比器件2的提高了74和31;器件3的J<,SC>比器件4的提高了約40。這主要是由于LiF層在ITO和PEDOT:PSS之間形成了良好的界面特性,并且本文作者推測LiF層可能有效地抑制了空穴向陽極的傳輸。因此,這種結構上的改進有效地提高了有機太陽能電池的性能。實驗結果表明,由于增大了給體

10、受體界面面積,互穿網絡結構的有機太陽能電池優(yōu)于分層結構和體異質結結構的有機太陽能電池;由于修飾物有著良好的界面特性并且可能有效抑制空穴向陽極的傳輸,陽極修飾的太陽能電池性能得到很大提高。.ZHAO Su-ling.SONG Jing-lu.LI Jun-ming.SONG Dan-dan.WANG Yong-sheng活性層厚度對體異質結聚合物太陽能電池性能的影響-光譜學與光譜分析2010,30(7制備了MEH-PPV(poly2-methoxy-5-(2'-ethylhexyloxy-1,4-plaenylenevinylene和PCBM(1-(3-mehyloxycarbonylp

11、ropyl-phenyl6,6C61共混體系的聚合物太陽能電池.通過改變MEH-PPV:PCBM(質量比為1:4混合溶液的濃度及旋涂時的轉速來改變活性層的厚度,研究了器件性能隨活性層厚度的變化.當旋涂速率小于4 000 r·min-1時隨著厚度的減小,開路電壓沒有明顯的變化,基本在0.8 V左右,但短路電流呈現(xiàn)單調上升的趨勢,填充因子略有下降.當旋涂速率大于5 000 r·min-1時,開路電壓和短路電流都開始下降.其中,開路電壓從5 000 r·min-1時的0.78 V下降到8 000 r·min-1時的0.67 V,短路電流更是從5 000 r&#

12、183;min-1時的3.96mA·cm-2下降到8 000 r·min-1時的1.76 nA·cm-2.短路電流受光吸收和載流子傳輸兩方面的共同影響,而活性層厚度的變化使得這兩方面的影響產生相悖的效果.活性層越厚,光生激子數(shù)越多,但同時內建電場變弱,而且激子解離后得到的載流子傳輸?shù)较鄳姌O的距離越長,載流子被電極收集的概率減小.開路電壓的降低則源于激子在MEH-PPV和PCBM與相應電極界面處解離比重的增加.4.學位論文趙云基于P3HT:PCBM體系聚合物薄膜光伏電池研究2009聚合物太陽能電池具有制備過程簡單、成本低、重量輕、可制成柔性器件等突出優(yōu)點,引起了人

13、們的廣泛關注。但是相對于無機太陽能電池來說,聚合物薄膜太陽能電池由于存在著共軛聚合物材料電荷遷移率比較低、吸收與太陽光譜不匹配等缺點,導致目前聚合物薄膜太陽能電池的能量轉換效率還較低。立構規(guī)整的聚3-已基噻吩(P3HT具有高的電荷遷移率和合適的禁帶寬度,同時具有良好的自組裝特性,是一種優(yōu)良的聚合物薄膜太陽能電池電子給體材料。以P3HT為電子給體材料、富勒烯C60的衍生物6,6-苯基-C61-丁酸甲脂(PCBM為電子受體材料組成的體異質結結構是目前倍受關注和較為成功的材料組合。本論文以P3HT:PCBM體系聚合物體異質結太陽能電池為研究對象,系統(tǒng)研究了P3HT:PCBM共混薄膜的形態(tài)結構以及電極

14、界面對聚合物薄膜太陽能電池光伏性能的影響。主要成果及創(chuàng)新點如下:1.研究了熱退火處理對P3HT:PCBM活性層薄膜形態(tài)結構和電池光伏性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)熱退火處理能有效改善P3HT的結晶性能,同時使P3HT和PCBM發(fā)生去混合作用形成納米尺度的相分離,改善了電荷的傳輸和收集效率。研究發(fā)現(xiàn),對于具有不同活性層薄膜厚度的光伏電池器件,相應的退火條件也各不相同,一般來說,活性層薄膜較厚的器件,需要更高的退火溫度或者更長的退火時間來達到最佳的器件性能。2.系統(tǒng)研究了有機溶劑蒸氣處理對P3HT:PCBM活性層薄膜形態(tài)結構和電池光伏性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)良溶劑蒸汽處理能夠誘導P3HT發(fā)生自組裝,排列有序性提

15、高,從而有效改善了活性層薄膜吸光性能和空穴傳輸性能。同熱退火處理相比,溶劑蒸氣處理更能使P3HT發(fā)生自組裝形成更加有序的結構,從而改善空穴遷移率。而熱退火處理更能使得PCBM發(fā)生擴散和聚集,從而形成有效的電子傳輸路徑。結合溶劑蒸氣處理和熱退火處理可形成利于電子和空穴傳輸?shù)幕ゴ┞窂?提高電荷收集效率,光伏性能明顯高于單純熱退火和單純溶劑蒸氣處理的光伏電池的性能。 3.利用添加不良溶劑丙酮的方法在P3HT在氯苯溶液中聚集形成纖維狀P3HT納米晶,研究了P3HT納米纖維晶對P3HT:PCBM體系聚合物體異質結太陽能電池光伏性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)P3HT納米纖維晶形成的相互連接的網絡能夠有效改善空穴傳輸

16、性能;在P3HT:PCBM活性層薄膜中隨著P3HT納米纖維晶含量的增加薄膜的吸收和空穴傳輸性質明顯改善。少量的P3HT納米纖維晶一方面可使P3HT和PCBM發(fā)生去混合作用形成微相分離,同時P3HT納米纖維晶構筑的網絡結構改善了空穴傳輸,從而可以提高電池的電荷收集效率;但是過多的P3HT纖維晶會抑制PCBM發(fā)生去混合從而形成電子陷阱,降低了電荷收集效率。4.在P3HT:PCBM活性層和金屬陰極之間引入了不同的界面層,研究了界面性質對光伏電池開路電壓和電荷收集效率的影響。研究發(fā)現(xiàn)超薄CaO界面層的引入可有效抑制由金屬電極Al到PCBM電子轉移,從而降低在電極界面處的能量損失,可使電池的開路電壓提高

17、到0. 78V。針對蒸鍍金屬陰極時金屬原子擴散造成的激子淬滅從而影響電荷收集效率的問題,將醇溶性含磷酸酯聚芴做為陰極界面層應用到聚合物薄膜電池中,一定厚度的含磷酸酯聚芴界面層不但可以有效阻擋蒸鍍金屬陰極過程中金屬原子向P3HT:PCBM活性層的擴散,從而降低光生載流子復合,而且由于磷酸酯聚芴和金屬鋁的特殊相互作用降低了界面電阻,電荷收集效率得到明顯改善,光伏電池在100mW/cm2白光輻照下能量轉換效率達到4.33%。關鍵詞:聚合物太陽能電池,體異質結,形態(tài)結構,界面。jun體異質結有機太陽能電池性能提高的研究-光譜學與光譜分析2008,28(4制備了四種不同結構的有機太陽能電池器件,器件1

18、ITO/LiF/PEDOT:Pss/MEH-PPv/C60/Al、器件2 ITO/PEDOT:PSS/MEH-PPv/C60/Al、器件36.學位論文付瑩瑩基于一種窄帶隙共軛聚合物的光伏電池的研究2009近年來,太陽能作為一種有效的化石燃料的替代能源得到了充分的利用。聚合物太陽能電池以其質量輕、柔性好、易于大面積加工、可溶液加工等優(yōu)點受到了人們的廣泛關注。目前聚合物太陽能電池的能量轉換效率還比較低,不能達到大規(guī)模工業(yè)化生產的要求。因此,如何提高聚合物太陽能電池的能量轉換效率成為該領域研究人員的重要挑戰(zhàn)。本論文的工作以聚合物太陽能電池為研究對象,選擇新型窄帶隙共軛聚合物PCPDTBT為電子給體材

19、料、富勒烯衍生物PCBM為電子受體材料,制備了體異質結結構太陽能電池,并對器件性能進行了優(yōu)化。主要工作及結果如下:(1 采用溶液加工的方法,以PCPDTBT:PCBM共混膜作為光敏活性層,制備了聚合物體異質結太陽能電池。通過使用窄帶隙聚合物PCPDTBT,有效的解決了光敏層的吸收光譜與太陽光譜的匹配問題。對器件制備過程中各種影響器件性能的因素進行了分析,包括聚合物與PCBM的比例、光敏層的厚度以及聚合物PCPDTBT的分子量,確定了最佳的實驗條件。并且分析了熱退火過程對該體系的光敏層薄膜形態(tài)以及器件性能的影響,發(fā)現(xiàn)熱退火對PCPDTBT:PCBM體系光伏電池性能沒有明顯改善。(2 采用添加成膜

20、添加劑的方法對PCPDTBT:PCBM體系的太陽能電池的光敏層薄膜形態(tài)進行控制。我們嘗試了具有不同的物理性質和化學結構的試劑,從中選擇了合適的成膜添加劑,并得到了作為成膜添加劑所必需的條件:(1沸點要高于主體溶劑,在成膜過程中,揮發(fā)速度要比主體溶劑慢;(2與主體溶劑相比,對PCBM的溶解性差。由此,我們選擇了1,3-二甲基咪唑啉酮(簡稱DMI作為成膜添加劑。加入適量的DMI之后,增加了光敏層內部的微相分離,改善了電荷傳輸?shù)穆窂?提高了電荷的收集效率,最終達到了提高器件性能的目的。我們分析了成膜添加劑的作用機理并提出了相應的機理模型。關鍵詞:有機太陽能電池;體異質結;薄膜形態(tài);相分離;成膜添加劑

21、7.學位論文唐健敏PIN結構有機太陽能電池的研究2009與傳統(tǒng)的硅基和化合物太陽能電池相比,有機太陽能電池有許多很有潛力的優(yōu)勢。例如:制備簡易、可大面積成膜。廉價尤其是有機太陽能電池的柔性,成為新一代太陽能電池的研究熱點。在器件結構的發(fā)展過程中,經歷了從單層膜結構到異質結結構再到多層器件結構的過程,其中體異質結結構太陽能電池的優(yōu)勢尤為引人注目。PIN結構有機太陽能電池繼承了一般太陽能電池的優(yōu)點,而它的光電轉換效率卻高于同類電池。PIN結構太陽能電池通過提高太陽光吸收效率,增加激子的分離效率,良好的載流子傳輸層輸運能力以及電極修飾來提高太陽能電池器件的光電轉換效率。本文制備了一種ITO/CuPc

22、/CuPc:C60/Alq3/Al結構的PIN有機太陽能電池,采用Cu-phthalocyanine(CuPc和fullerene(C60的共混層作為光激發(fā)層,采用CuPc和Alq3作為空穴傳輸層和電子傳輸層。利用真空蒸發(fā)鍍膜法制備各層有機薄膜,并用紫外可見吸收光譜、原子力顯微鏡、熒光發(fā)射光譜以及I-V曲線來表征器件性能。1.研究了PN結構器件與PIN器件結構太陽能電池的性能比較,分析了I層作為吸收陽光和拆分激子的作用。2.研究了器件的光吸收層、電子傳輸層、空穴傳輸層的膜厚參數(shù)對光吸收情況、開路電壓、短路電流密度和能量轉換效率產生的影響。結果表明:當器件光吸收層、電子傳輸層、空穴傳輸層的厚度分

23、別為15nm、30nm、40nm時,器件的性能達到最優(yōu)化。3.研究了器件的兩種界面修飾:在薄膜蒸發(fā)之前用紫外光照射ITO玻璃;在Alq3與Al電極之間插入LiF。研究發(fā)現(xiàn),由于LiF有減小Alq3與Al能級差的作用,對比未經修飾結構的PIN電池界面修飾的電池性能有明顯的提升。4.最優(yōu)化太陽能電池器件性能的各特征參數(shù)為Jsc=1.793mA·cm-2,Voc=0.65V,FF=0.49,=0.561%。8.學位論文張磊聚合物疊層太陽能電池2008疊層結構,就是用中間電極將兩層有機太陽能電池串連起來。前后兩層電池的有機功能層材料的禁帶寬度不同,吸收不同波長的太陽光。當入射光按禁帶寬度由大

24、到小的順序依次通過太陽能電池時,疊層結構的輸出電壓是前后兩層電池的疊加。因此,疊層有機太陽能電池結構使得吸收光譜拓寬了,有效地提高了有機太陽能電池的能量轉換效率。疊層有機太陽能電池是目前有機太陽能電池的研究熱點,它是提高有機太陽能電池的能量轉換效率的有效手段之一。本論文首先通過MEH-PPV/C60的體異質結太陽能電池器件研究了有機膜厚對有機太陽能電池性能的影響,發(fā)現(xiàn)隨著膜厚的增加,短路電流減小,這是因為載流子的擴散長度有限,膜厚的增加降低了載流子到達電極的幾率,增加了載流子復合的兒率。因此通過改變膜厚來提高有機太陽能電池的性能是有限的。要實現(xiàn)疊層有機太陽能電池結構,中間層的選擇是很關鍵的。本

25、論文選擇了TiO2和PEDOT:PSS作為疊層器件的中間電極,因為他們比會屬電極更容易制備。要將他們應用于疊層結構,關鍵問題是如何解決工藝問題,使得TiO2和PEDOT:PSS成膜性好,而且在制備的過程中又不會對原來的膜有破壞。因此我們做了大量的試驗摸索實驗條件。在解決工藝上的困難后,我們研究了TiO2的作用,得到如下結論:1.改善了有機膜的親水性,使得PEDOT:PSS能夠形成致密的膜。2.是前一層的電子傳輸層。前一層產生的電子和后一層產生的空穴在PEDOT:PSS和TiO2的界面復合。3.是后一層的空穴阻擋層,阻止了后一層產生的空穴進入前一層。4.打破了前一層有機層兩邊的對稱結構,形成開路

26、電壓。最后,在以上工作的基礎上,我們制作了疊層器件,并對他們進行了初步研究。雖然疊層器件的開路電壓小于兩層器件開路電壓之和,但比單層器件有所提高,因此可以看出這種疊層結構還是有一定效果的。9.學位論文邢宏偉有機太陽能電池的數(shù)值研究2008近年來,有機太陽能電池的研究已經成為一個熱點,并取得長足的進展,逐漸應用在現(xiàn)實生活中,但進一步開發(fā)穩(wěn)定性好、轉換效率高、壽命長,成本低的有機太陽能電池是現(xiàn)階段以及今后研究工作的主要目標。相比實驗研究取得的巨大成就,人們對有機太陽能電池工作的物理機理的掌握尚顯不足,這嚴重制約了有機太陽能性能的提高。由于有機太陽能電池內部工作機理不同于無機太陽能電池,所以建立一套適用于有機太陽能電池工作機制理論模型非常的重要。基于此,本論文作了如下工作:1.簡單有機太陽能電池即在電極/有機層/電極,雖然其轉化效率低,現(xiàn)階段對其研究較少。但是其能較好的描述出有機太陽能電池的基本工作原理,其他結構都是在這個結構上拓展而來的。把Koster等人的模型擴展應用于一般的單層機太陽能電池上,考慮了遷移率隨電場和溫度的變化。通過計算和分析,可以看出電子和空穴遷移率單獨的增強能提高短路電流,但會對開路電壓有輕微影響,保證電子遷移率和空穴遷移率相等并同步增大它們