【摘要】：有機(jī)太陽電池作為新一代能源技術(shù)展示了柔性加工以及可大面積生產(chǎn)的潛能,其向商業(yè)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵在于把實驗室制備所優(yōu)化的材料工藝與大面積卷對卷生產(chǎn)技術(shù)相結(jié)合。然而,大部分的電池界面材料在制備大面積器件時性能嚴(yán)重下降,這是由于大面積器件制備過程中薄膜的均勻性會隨著面積增加而下降。為了達(dá)到大面積生產(chǎn)的要求,研究者們需要設(shè)計高導(dǎo)電率的電池界面材料,可以在厚膜條件下加工而維持較好的器件效果。另一個解決辦法是設(shè)計出新的界面制備工藝,能在大面積的基底上制備出厚度均勻的薄膜,就可以避免刮涂或者卷對卷大面積生產(chǎn)過程中薄膜均勻性差的問題。本論文分為四個部分,主要研究新型厚膜界面材料以及大面積界面薄膜制備的新工藝。第一部分研究工作設(shè)計了靜電逐層自組裝的新型界面薄膜制備方法,把低成本環(huán)境友好的生物質(zhì)材料應(yīng)用在有機(jī)太陽電池中。殼聚糖自身導(dǎo)電率較低,旋涂方法制備的薄膜不能使殼聚糖發(fā)揮最大的陰極修飾性能。靜電逐層自組裝的方法可以在納米尺度上精確控制薄膜的厚度以及調(diào)控薄膜性質(zhì),通過奇偶層數(shù)的變化調(diào)節(jié)分子偶極的指向來有效地調(diào)節(jié)ITO電極的功函數(shù)。將最優(yōu)層數(shù)的自組裝薄膜應(yīng)用在有機(jī)太陽電池器件中取得10.18%的光電轉(zhuǎn)換效率(power conversion efficiency,簡稱PCE),這說明殼聚糖可以作為高效有機(jī)光伏器件的界面修飾材料,而靜電逐層自組裝的制備方法為殼聚糖的應(yīng)用創(chuàng)造了條件,為以后生物質(zhì)材料在有機(jī)光電器件領(lǐng)域的開發(fā)提供一些新的指導(dǎo)。第二部分研究工作通過靜電逐層自組裝的方法制備規(guī)整排列,結(jié)構(gòu)可控的氧化鋅(ZnO)薄膜。把陽離子表面活性劑分散的ZnO納米顆粒和陰離子聚電解質(zhì)PFCOONa交替沉積,聚電解質(zhì)不但可以為ZnO納米顆粒的自組裝提供電荷引導(dǎo),還可以填充ZnO納米顆粒間的空隙,鈍化界面缺陷,自組裝ZnO薄膜作為陰極修飾界面層可以與活性層材料充分接觸,提高電子抽取性能,最終獲得最高9.25%的光電轉(zhuǎn)換效率。研究表明帶電納米顆粒同樣適用于靜電自組裝的薄膜制備方法,可以快速制備有機(jī)太陽電池陰極修飾界面。第三部分研究工作制備了一種厚度不敏感的陰極界面修飾材料,把堿金屬鹽Cs_2CO_3摻雜到水醇溶非共軛聚合物poly[(9,9-bis(6′-((N,N-diethyl)-N-ethylammonium)-hexyl)-2,7-fluorene)-alt-1,4-diphenylsulfide]-dibromide(PF6NPSBr)中,這種摻雜界面材料用于有機(jī)太陽電池器件可以使PCE從8.73%提高到9.45%。研究發(fā)現(xiàn)Cs_2CO_3的引入可以改變電子傳輸層的表面形貌,與金屬電極形成更好的接觸,同時摻雜后的共混薄膜可以有效減小銀電極上的功函數(shù),使銀電極與活性層之間的能級更加匹配,促進(jìn)電子從活性層到電極的抽取與傳輸。研究還發(fā)現(xiàn)PF6NPSBr:Cs_2CO_3摻雜薄膜具有良好的電子遷移率以及透光性能,這有助于制備高效透明的厚膜陰極界面修飾層,在厚膜活性層體系中獲得了10.78%的最高轉(zhuǎn)換效率以及全厚膜器件9.64%的轉(zhuǎn)換效率,這表明Cs_2CO_3摻雜透明導(dǎo)電有機(jī)薄膜是制備厚度不敏感的高效陰極界面材料的有效手段。第四部分研究工作基于納米球模板印刷法制備的二維有序結(jié)構(gòu),既可以用于有機(jī)太陽電池的透明電極,還可以加入到界面層中,利用等離子共振效應(yīng)增強(qiáng)活性層的光吸收。聚苯乙烯(polystyrene,簡稱PS)納米球通過氣液界面自組裝的方法可以制備二維單層的緊密堆積結(jié)構(gòu),利用模板印刷技術(shù)制備多孔金屬薄膜。通過等離子刻蝕的方法改變PS納米球尺寸以及改變PS球的排列周期等方法都可以調(diào)整多孔金屬薄膜表面覆蓋度,從而精確控制薄膜的導(dǎo)電性和透光性。最后把這種方法制備的多孔金屬薄膜用在有機(jī)太陽電池的透明電極上,取得了不錯的器件性能。用PS納米球模板印刷法制備的金屬二維陣列,還可以用于控制金屬納米顆粒的等離子共振效應(yīng),如果用在有機(jī)太陽電池的界面層中將可以增強(qiáng)活性層的吸光性能,這也是有機(jī)電池界面修飾層的一個有效功能。金屬二維陣列作為新型的界面層加入到有機(jī)電池器件的研究需要更多后續(xù)的工作來探索其中的原理和功能。
【圖文】：

華南理工大學(xué)博士學(xué)位論文材料來源，在前兩代的光伏電池中占主導(dǎo)地位。從圖 1-1 美國國家可再生能源實驗室發(fā)布的各類電池認(rèn)證效率圖中可以看出，單晶硅的電池轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到 26%，多晶硅為22%左右。雖然晶體硅在市場中占有絕對的份額，不過它也有一些不可避免的缺點，制備成本高，吸光系數(shù)低，必須做得很厚，而且材料很脆容易碎，因此科學(xué)家們一直致力于發(fā)展更加高效低成本的光伏電池技術(shù)。第三代光伏技術(shù)的發(fā)展方向是薄膜太陽電池，能減少材料的用量，降低制備成本，而且運(yùn)輸和安裝方便。無機(jī)薄膜太陽電池，如碲化鎘（CdTe）電池，銅銦鎵硒（CIGS）電池的轉(zhuǎn)換效率也能達(dá)到 22%，而砷化鎵（GaAs）的單節(jié)電池更是達(dá)到了將近 30%的轉(zhuǎn)換效率。盡管這幾個無機(jī)薄膜電池的轉(zhuǎn)換效率比非晶硅電池的效率高，但是由于材料的局限性使得他們并不能取代晶體硅電池，如鎘、砷有毒，會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染；鎵、銦和硒是比較稀有的元素，比較難獲�。欢榛壍纳a(chǎn)使用磊晶制備技術(shù)，制造成本高昂，因而這些電池并沒有得到廣泛的應(yīng)用。

圖 1-2 常見的給體和受體材料[32]相對于多種多樣的給體材料，受體材料的發(fā)展要滯后一點。到目前為止，富勒烯及生物由于極高的電荷遷移率和電子吸附能力，使其成為最廣泛使用的電子受體材料25, 33]。比如，C60、C70作為受體材料運(yùn)用在小分子有機(jī)太陽電池器件里，可以在活共混材料中形成分散又連續(xù)的相，從而形成有效的電子傳輸通道，有助于電子的抽 34]。為了使富勒烯材料更加適用于溶液加工的方法，在富勒烯分子上連接功能性的基團(tuán)，，不僅可以提高材料在有機(jī)溶劑的溶解性，還可以調(diào)節(jié)與給體材料的共混效果最優(yōu)的給受體相分離。最典型的例子就是[6,6]-Phenyl-C61-butyric acid methyl estBM)[35]和[6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester (PC71BM)[17, 36-37]，很多高效的電系都是基于這兩個富勒烯衍生物受體。無機(jī)半導(dǎo)體納米晶體有較高的電子遷移率以被用作電子受體，如 CdSe[38-39]，ZnO[40-41]，Huynh 等人報道了基于 P3HT：CdS機(jī)電池，轉(zhuǎn)換效率接近 2%[38]，納米晶體作為電子受體開始受到關(guān)注。另外，一些聚合物由于良好的光學(xué)吸收也可以作為電子受體材料，但是由于遷移率低限制了電
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB34;TM914.4

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本文編號：2616438