【摘要】：非富勒烯有機(jī)太陽電池憑借設(shè)計(jì)、合成便利性,強(qiáng)光學(xué)吸收和最小化能量損失等優(yōu)點(diǎn),成為有機(jī)太陽電池的研究熱點(diǎn)。在突破富勒烯太陽電池效率瓶頸并提高能量轉(zhuǎn)換效率方面,被寄予厚望。目前,非富勒烯作為受體的器件表現(xiàn)已經(jīng)超越富勒烯衍生物,能量轉(zhuǎn)換效率不斷攀升。然而,研究的主要力量在新材料的設(shè)計(jì)、開發(fā),對(duì)非富勒烯受體區(qū)別于富勒烯受體的特性缺乏深入的了解。對(duì)非富勒烯太陽電池器件物理的研究,有助于系統(tǒng)的理解新材料的新特性,反過來指導(dǎo)器件的優(yōu)化和材料的設(shè)計(jì)。常用富勒烯衍生物受體合成成本高,限制了有機(jī)太陽電池的大規(guī)模推廣。本論文的第二章討論采用無需經(jīng)過高成本提純、分離的PC_(61)BM/PC_(71)BM天然混合物作為受體,相對(duì)純富勒烯衍生物受體,能夠大幅度縮減合成成本。PCBM混合物受體的器件表現(xiàn)超過了純PC_(61)BM,并接近PC_(71)BM受體。三者器件短路電流差距較大,PCBM混合物的短路電流高于PC_(61)BM,略低于PC_(71)BM受體。光電轉(zhuǎn)換過程分析表明,三者器件的短路電流差距,主要來自短波長(zhǎng)處的光吸收和載流子收集效率差別。采用倒置器件結(jié)構(gòu)和電子傳輸材料PFN,對(duì)器件做進(jìn)一步優(yōu)化,我們將PTB7給體PCBM混合物受體器件光電轉(zhuǎn)換效率提高至8.01%。研究結(jié)果表明,PCBM天然混合物在合成成本和光電性能上均優(yōu)于PC_(61)BM受體,是大面積有機(jī)太陽電池模組受體材料的優(yōu)秀候選者。非富勒烯太陽電池能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)換效率的突破,其中一個(gè)決定性的因素是其具有低能量損耗,在器件上表現(xiàn)出高開路電壓。器件的能量損失不僅取決于受體本身,還與相應(yīng)匹配的給體材料有關(guān)。第三章中,我們以P3HT和PTB7-Th作為給體,對(duì)比研究了富勒烯和非富勒烯受體器件,使用帶隙內(nèi)的EQE和EL光譜測(cè)試分析器件的電荷轉(zhuǎn)移能量(E_(CT)),發(fā)現(xiàn)非富勒烯器件E_(CT)提高涉及兩種不同機(jī)制。對(duì)于只提高電荷轉(zhuǎn)移能量而不影響單線態(tài)能量的體系,開路電壓的提高不會(huì)損失光譜響應(yīng)。此外,給受體材料的帶尾態(tài)和無序態(tài)的分析表明,材料的能級(jí)無序度也會(huì)對(duì)器件的能量損失造成影響。有機(jī)太陽電池中高效的電荷產(chǎn)生,不僅要求給受體材料有互補(bǔ)的光吸收,還需要給體的高效光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移(PET)和受體的高效光誘導(dǎo)空穴轉(zhuǎn)移(PHT),高效PET和PHT過程需要合理充足的能級(jí)差作為電荷轉(zhuǎn)移的驅(qū)動(dòng)力。在能量損失方面,器件的非輻射復(fù)合能量損失,是影響開路電壓的關(guān)鍵因素。在第四章,我們研究了寬帶隙給體PMOT40分別與窄帶隙受體IDIC和i-IEICO-4F匹配組成的高效體系。體系不僅展現(xiàn)了平衡、高效的雙通道電荷產(chǎn)生和高開路電壓(最小化非輻射復(fù)合能量損失),并且由于優(yōu)秀的載流子傳輸特性,表現(xiàn)出高填充因子。在PMOT40:i-IEICO-4F單結(jié)器件實(shí)現(xiàn)了13%的能量轉(zhuǎn)換效率(認(rèn)證效率12.5%)。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM914.4
【圖文】：

第一章 緒論對(duì)給體 PBDB-T 和受體 ITIC 的端基進(jìn)行化學(xué)修飾，陸續(xù)取得了能量的新突破，將 ITIC 類受體有機(jī)太陽電池的轉(zhuǎn)化效率穩(wěn)定至 12%-13%[機(jī)太陽電池光電轉(zhuǎn)化過程機(jī)太陽電池是將入射的太陽光光能轉(zhuǎn)化為電能輸出的裝置。太陽光在入器件后，需要經(jīng)歷幾個(gè)物理過程：I,光子吸收(Photon Absroption)；II,(Exciton Diffusion); III,激子分離(Exciton Dissociation); IV,載流子傳輸 Collection)。

圖 1-2 有機(jī)太陽電池電流-電壓特性曲線ig. 1-2 Current-voltage (J-V) characteristics of organic solar ce縱軸的交點(diǎn)是短路電流密度 Jsc(Short-circuit current densit化的將光子轉(zhuǎn)化為電子輸出的能力，即是太陽電池最大輸標(biāo)的交點(diǎn)是開路電壓 Voc(Open-circuit voltage)，開路電壓是征，即太陽電池最大輸出電壓。為了達(dá)到最大輸出功率，實(shí)在最大電流輸出狀態(tài)，也非在最大電壓輸出狀態(tài)，而是需要PP(Max Power point)，這時(shí)的功率輸出為最大 Pmax。這個(gè)工電壓密度即為 Jm(最佳工作電流密度)和 Vm(最佳工作電壓)征參數(shù)填充因子 FF(Fill Factor)，定義為器件最大輸出功率電流密度 JSC乘積之比：

FF =PmaxVoc×Jsc=Vm×JmVoc×Jsc(1-1)電流密度(Jsc)是太陽電池器件在光照條件下，器件正負(fù)極短接時(shí)輸出的電流由于沒有外加電壓抵消內(nèi)建電場(chǎng)，此時(shí)器件內(nèi)建電場(chǎng)最大，得到輸出電流是在各個(gè)波長(zhǎng)的太陽光光子轉(zhuǎn)換成為電子的總和：Jsc= ∫φAM1.5G(λ) × EQE(λ)dλ (1-2)AM1.5G(λ)為 1.5 個(gè)大氣質(zhì)量下太陽光在特定波長(zhǎng)處光子計(jì)數(shù)，E外量子效率(External quantum efficiency)，是特定波長(zhǎng)的入射光子

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本文編號(hào)：2748698