本文關(guān)鍵詞：三元有機太陽能電池的制備及機理研究　出處：《北京交通大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

  更多相關(guān)文章： 有機太陽能電池 光電轉(zhuǎn)換效率 三元策略 工作機理

【摘要】：作為一種清潔的可再生能源技術(shù),有機太陽能電池具有成本低,質(zhì)量輕,柔性,可大面積制備和原材料豐富等獨特優(yōu)勢,成為近年來國內(nèi)外能源器件研究和光電材料研究的前沿和熱點。當前,進一步提升器件的性能仍是有機太陽能電池的研究焦點。本論文主要以增強有源層的光子俘獲為切入點,利用三元策略提高有機太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率,并澄清其相關(guān)工作機理。通過甄選材料增強有源層的光子俘獲能力及擴展光子俘獲范圍;通過對有源層及器件的光學(xué)、光譜學(xué)、形貌學(xué)、電學(xué)等方面的表征,澄清器件的工作機理。為制備出高效率三元有機太陽能電池在實驗設(shè)計、材料甄選、工藝優(yōu)化、機理研究等方面提供了豐富的實驗依據(jù)和理論分析。本論文的主要結(jié)果和創(chuàng)新點可歸納為:(1)研究了不同體系的三元有機太陽能電池,初步掌握了材料物性,制備工藝,工作機理與器件性能之間的關(guān)系。吸收光譜互補是設(shè)計三元有機太陽能電池的首要條件。高消光系數(shù),高載流子遷移率,與主體系材料能級匹配,兼容性好是甄選第三組分材料的重要條件�；陔p給體:富勒烯受體體系,證明了中等帶隙:窄帶系雙給體組合較寬帶隙:中等帶隙組合具有明顯的優(yōu)勢。(2)提出了通過研究雙給體器件與單給體器件(無受體)在光照條件下JSC的關(guān)系,結(jié)合給體溶液和薄膜的PL光譜隨第三組分摻雜比例變化的規(guī)律,揭示雙給體材料間是以能量傳遞工作機理為主,還是以電荷轉(zhuǎn)移工作機理為主�；赑3HT:SMPV1雙給體組合,以P3HT:SMPV1為有源層器件的JSC遠高于以P3HT或SMPV1為有源層的器件的值,說明雙給體材料間以電荷轉(zhuǎn)移為主。(3)提出通過研究在特定波段光照下,器件的光伏參數(shù)隨第三組分摻雜比例的變化規(guī)律,揭示三元體系中載流子輸運的動力學(xué)過程。以PCDTBT:SQ:PC71BM為例,在J-V測試過程中,利用截止濾光片僅使波長超過670 nm的太陽光照射器件,根據(jù)材料的吸收光譜,這一波段的光子主要被有源層中的SQ俘獲。在這種情況下,三元有機太陽能電池的FF明顯高于SQPC71BM器件的值;當SQ在給體中的比例達到50%時,三元電池的JSC甚至高于SQPC71BM器件的值;當SQ在給體中的比例逐漸增加時,三元器件的VOC幾乎保持不變,其與PCDTBT:PC71BM器件的開路電壓值相近。三元器件三個光伏參數(shù)的變化表明SQ上的空穴可以有效地轉(zhuǎn)移到PCDTBT上,然后借助于PCDTBT形成的空穴傳輸通道去傳輸。(4)系統(tǒng)研地究了小分子三元有機太陽能電池,提出了通過研究平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)器件的EQE光譜來探究雙給體材料間能量傳遞與載流子輸運的動力學(xué)過程。通過選用兼容性較好的DRCN5T和DR3TSBDT兩種小分子給體材料,制備出效率達到了 10.16%的三元小分子有機太陽能電池,這是目前三元小分子有機太陽能電池效率的最高值之一。通過對共混薄膜形貌,材料HOMO能級和器件VoC的系統(tǒng)研究,證明了該三元有機太陽能電池的主要工作機理為合金模型。通過優(yōu)化摻雜比例可增強光子俘獲、且形成良好的給受體互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)�；诤辖鹉Ｐ偷男》肿尤袡C太陽能電池為材料甄選提供了一定的參考依據(jù)。(5)報道了基于雙非富勒烯受體的三元有機太陽能電池。將聚合物受體材料N2200 分別摻入到 PBDB-T:ITIC,PBDB-T:ITIC-Th,PBDB-T:IT-M 二元體系中,三種體系的三元有機太陽能電池的效率均超過了其二元器件效率的值。其中基于PBDB-T:IT-M:N2200體系的三元有機太陽能電池的效率達到了 12.01%,這是目前非富勒烯三元有機太陽能電池效率的最高值之一。實驗結(jié)果證明了聚合物受體可以作為第三組分優(yōu)化材料提高有機太陽能電池的效率,擴展了三元策略的應(yīng)用范圍。
[Abstract]:As a kind of clean and renewable energy technology, organic solar cell has the advantages of low cost, light weight, flexible, can be prepared in a large area and abundant raw materials and other unique advantages, become the research frontier of domestic and foreign energy devices and optoelectronic materials in recent years. At present, the focus of research to further improve the performance of organic solar cells is still device. This paper mainly to enhance the photon capture of the active layer as the starting point, improve the photoelectric conversion efficiency of organic solar cells by using three element strategy, and clarify its work mechanism. Through the selection of materials by the active layer of photon capture ability and extended photon capture range; the optical active layer, and devices spectroscopy, morphology characterization, electrical and other aspects, to clarify the mechanism of the device operation. For the preparation of high efficiency three yuan organic solar cell in experimental design, material selection, process optimization The mechanism, research provides the experimental basis and theoretical analysis of the rich. The main results and innovation points can be summarized as follows: (1) three yuan of organic solar cells on different systems, the initial grasp of the material, preparation process, the relationship between the working mechanism and device of energy absorption. The complementary spectrum is the first condition for designing three yuan of organic solar cells. High extinction coefficient, high carrier mobility, matching with the main system of material level, good compatibility is an important condition for material selection of third groups. The double donor based on fullerene acceptor system, proved that the mid gap: dual combination is to narrow wide band gap: Mid gap combination has obvious advantages. (2) proposed by double donor devices and single donor devices (no receptor) relationship in the light conditions of JSC, according to the PL solution and thin film optical spectrum with third components The proportion of variation revealed double donor material is the energy transfer mechanism, or to the charge transfer mechanism. P3HT:SMPV1 to double combination based on P3HT:SMPV1 active layer of the device JSC is much higher than in P3HT or SMPV1 as the active layer of the device with the value of the said double donor materials to charge transfer. (3) proposed by research in a specific band of light, changes of photovoltaic device parameters with third components ratio, dynamic process in three element system of carrier transport is revealed. In the case of PCDTBT:SQ:PC71BM, J-V in the testing process, the use of solar light irradiation device filters only the wavelength is more than 670 nm, according to the absorption spectrum of the material, the photonic bands of major captured by SQ in the active layer. In this case, three yuan of organic solar cell FF was significantly higher than that of the SQPC71BM device when the SQ in value; To body ratio reached 50%, three yuan or even higher than the battery JSC SQPC71BM device; when the SQ increased gradually in the body to the ratio of three components, VOC remained almost unchanged, and the open circuit voltage of PCDTBT:PC71BM device is close to the value of change. Three components of three photovoltaic parameters showed that SQ of the the hole can be effectively transferred to PCDTBT, and then go through the hole transport channel for transmission of PCDTBT. (4) the system study of the small molecular organic solar cell three yuan, put forward EQE spectrum structure device by studying the plane heterogeneity to explore the double to the energy transfer dynamics between material transport and carrier lose. By choosing better compatibility DRCN5T and DR3TSBDT two kinds of small molecule donor materials, preparation efficiency reached three yuan of small molecular organic solar cell 10.16%, which is currently three yuan of small molecular organic solar power The highest value of efficiency. The morphology of the pool blend film, system research materials HOMO level and VoC device, we prove the main working mechanism of the three element organic solar cell for the alloy model. By optimizing the doping ratio can enhance the photon trapping, and the formation of good donor acceptor interpenetrating network structure. The small molecular alloy model three yuan of organic solar cells based on reference basis for material selection. (5) reported three yuan of organic solar cells based on fullerene double non receptor. The polymer materials were incorporated into the N2200 receptor PBDB-T:ITIC, PBDB-T:ITIC-Th, PBDB-T:IT-M in the system of two yuan three yuan, the efficiency of organic solar cells of three systems are more than the value of the components efficiency three yuan. The efficiency of organic solar cells based on PBDB-T:IT-M:N2200 system reached 12.01%, which is currently non fullerene Three yuan is one of the highest values of organic solar cell efficiency. Experimental results show that polymer acceptor can be used as third component optimization material to improve the efficiency of organic solar cells and extend the application scope of three yuan strategy.

【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TM914.4

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本文編號：1430926