【摘要】：有機(jī)太陽能電池的由來已久卻發(fā)展坎坷,目前器件的效率、穩(wěn)定性和工業(yè)投放生產(chǎn)等方面均面臨瓶頸。但其具有可設(shè)計(jì)的活性層材料分子結(jié)構(gòu),質(zhì)量輕,易制備,且可制成柔性或半透明器件等優(yōu)點(diǎn),經(jīng)過世界各地科研人員的不懈努力,目前有機(jī)太陽能電池的單節(jié)器件能量轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)突破16%,但這距離工業(yè)化生產(chǎn)的目標(biāo)仍然較遠(yuǎn)。當(dāng)前人們對有機(jī)太陽能電池的研究主要集中在新型活性層材料的開發(fā)與器件工藝的優(yōu)化兩方面。為了擴(kuò)大卟啉在有機(jī)太陽能電池領(lǐng)域的應(yīng)用,我們對兩類含卟啉的新型聚合物給體材料進(jìn)行了器件表征,通過在添加劑調(diào)控和三元共混器件方面進(jìn)行創(chuàng)新,對基礎(chǔ)器件進(jìn)行了各種工藝和結(jié)構(gòu)優(yōu)化,并對它們的拓展應(yīng)用進(jìn)行了進(jìn)一步研究。主要工作內(nèi)容如下:1.對于新型聚合物給體材料PL1和PL2,我們表征了它們的光學(xué)性能、電化學(xué)性能和光伏性能,在此基礎(chǔ)上,通過使用多種添加劑對基于聚合物PL1和PL2的二元活性層形貌進(jìn)行了優(yōu)化,后又采用混合添加劑的思路進(jìn)一步提高了PL2的光伏性能,最終器件效率達(dá)到了6.71%。為更好的發(fā)揮PL2的優(yōu)異性能,我們又選擇了與PL2吸收互補(bǔ)且能級匹配的經(jīng)典給體材料PBDB-T,將PL2引入到PBDB-T:PC_(71)BM體系中研究了三元共混有機(jī)太陽能電池的光伏性能,最終獲得了7.88%的高效率。2.對于新型寬帶隙聚合物給體材料PPor-I和PPor-II,由于卟啉的引入,調(diào)節(jié)了聚合物的能級和帶隙,使光譜吸收增強(qiáng),我們對它們的光學(xué)性能、電化學(xué)性能和光伏性能進(jìn)行了研究,并采用DIO和NMP作為溶劑添加劑對基于PPor-I:PC_(71)BM和PPor-II:PC_(71)BM的活性層薄膜進(jìn)行了形貌調(diào)控,使它們的器件效率分別提高到了3.77%和6.29%。為提高基于PPor-I:PC_(71)BM活性層薄膜的器件光伏性能,我們采用了幾種DIO和NMP混合的比例對基于PPor-I:PC_(71)BM的活性層薄膜進(jìn)行了形貌調(diào)控,使器件光電轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提高到了5.36%,證實(shí)了混合添加劑的普適性。此外,我們還對基于PPor-II:PC_(71)BM不同厚度的活性層薄膜的器件光伏性能進(jìn)行了研究,探討了該體系器件的膜厚依賴性,令人意外的是,活性層膜厚達(dá)到210 nm時(shí)器件仍有5.79%的光電轉(zhuǎn)換效率,有利于工業(yè)上卷對卷大規(guī)模生產(chǎn)。
【圖文】：

量急速增長同日益枯竭的化石能源之間的矛盾和短時(shí)期內(nèi)大量消耗化石能源所帶來的環(huán)境污染問題。解決人類這一全球性問題的唯一根本性途徑便是尋找廉價(jià)易得、高效清潔的新型可再生能源將傳統(tǒng)化石能源取而代之，太陽能因具有廣泛分布、取之不盡用之不竭的特點(diǎn)，便成為了最佳選擇。當(dāng)前人類對太陽能的開發(fā)形式豐富多樣，其中太陽能電池能實(shí)現(xiàn)直接將太陽能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存并加以利用，所以是一種最方便直接的方式，數(shù)十年來受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大關(guān)注和研究投入。初期，研究人員主要致力于無機(jī)單晶硅太陽能電池的研究，后發(fā)展為多晶硅，光電轉(zhuǎn)換效率得到了一定提升，并已應(yīng)用于商業(yè)化生產(chǎn)。除此之外，目前研究開發(fā)較多的太陽能電池還包括無機(jī)半導(dǎo)體薄膜太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池、染料敏化太陽能電池、有機(jī)太陽能電池等。雖然晶硅太陽能電池生產(chǎn)工藝已經(jīng)十分成熟，但由于生產(chǎn)成本難以降低、工業(yè)污染大等問題，所以大面積的推廣應(yīng)用仍不是十分理想。相比之下，有機(jī)太陽能電池具有可設(shè)計(jì)的材料分子結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，易制備，，且可制成柔性或半透明器件等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為科研人員的研究熱點(diǎn)，且發(fā)展非常迅速，光電轉(zhuǎn)換效率不斷得到突破[1]。

圖 1.2 有機(jī)太陽能電池分類圖中(a)結(jié)構(gòu)為單層有機(jī)太陽能電池，活性層為單一的有機(jī)半導(dǎo)體材料，該結(jié)構(gòu)由于兩極之間電場強(qiáng)度不足以驅(qū)動(dòng)電荷分離和傳輸，所以光電轉(zhuǎn)換效率低于0.1%；(b)結(jié)構(gòu)為雙層異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池，給受體材料分為上下兩層夾于兩極之間，給受體接觸面的激子能克服束縛能形成電荷分離，但分離效率低且淬滅過多，所以器件效率偏低；(c)結(jié)構(gòu)為目前普遍采納的本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)活性層內(nèi)部給受體材料得到充分混合，形成了納米級的互穿網(wǎng)絡(luò)，極大地增加了給受體接觸面的面積，從而提高激子分離和電荷傳輸效率，使器件性能大幅提升，且由于制備工藝簡單，已被廣泛利用；(d)結(jié)構(gòu)是基于本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的疊層有機(jī)太陽能電池，是在兩個(gè)或多個(gè)本體異質(zhì)結(jié)活性層中間加入連接層構(gòu)成串聯(lián)或并聯(lián)結(jié)構(gòu)的器件，該結(jié)構(gòu)最明顯的優(yōu)點(diǎn)是提高太陽光的利用率使器件效率得到提升，缺點(diǎn)是制作工藝復(fù)雜。1.2.3 有機(jī)太陽能電池的物理學(xué)基本原理
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.2;TM914.4

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本文編號：2620558