本文關(guān)鍵詞：聚合物太陽(yáng)能電池器件結(jié)構(gòu)與性能研究

  更多相關(guān)文章： 聚合物 太陽(yáng)能電池 器件工藝 形貌結(jié)構(gòu) 封端

【摘要】：聚合物太陽(yáng)能電池具有加工便利、成本低廉以及環(huán)境友好等諸多優(yōu)點(diǎn),已成為國(guó)際上的研究熱點(diǎn)。盡管目前其相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)超過(guò)10%,但是仍然不能滿足商業(yè)化的要求。設(shè)計(jì)合成更高效率的光伏聚合物材料,發(fā)展新的器件結(jié)構(gòu)、器件加工工藝和技術(shù)是提高器件性能的有效途徑。本論文以幾種不同體系的聚合物光伏材料為對(duì)象,系統(tǒng)地開(kāi)展了器件制備工藝的研究和優(yōu)化工作,以揭示材料結(jié)構(gòu)、器件制備工藝與器件性能之間的關(guān)系。主要研究的內(nèi)容和結(jié)果如下：1設(shè)計(jì)合成了三種分別不含氟、含一個(gè)氟和兩個(gè)氟功能取代基的喹喔啉-噻吩類(lèi)共軛聚合物,對(duì)比研究了氟功能取代基對(duì)相應(yīng)聚合物性能的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn),具有強(qiáng)吸電能力的氟功能取代基,對(duì)聚合物的LUMO能級(jí)幾乎沒(méi)有影響,但可以降低其HOMO能級(jí),從而提高光伏器件的開(kāi)路電壓；可以誘導(dǎo)聚合物分子鏈重新排列取向,使器件活性層薄膜的形貌形成更加有利于電荷分離和傳輸?shù)募{米尺度相分離的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此隨著引入的氟原子數(shù)目的增加,喹喔啉-噻吩類(lèi)共軛聚合物的光伏性能逐漸提高。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的器件制備工藝優(yōu)化,以上述三種聚合物制備的單層BHJ電池的效率分別達(dá)到了2.82%、4.14%和5.19%。2以苯并二噻吩上帶有兩種不同側(cè)鏈取代基的聚苯并二噻吩-喹喔啉類(lèi)共軛聚合物為活性層給體材料,制備單層BHJ結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池,并系統(tǒng)研究了熱退火、添加劑、甲醇處理以及陰極修飾層四種不同的器件制備工藝和條件對(duì)其性能的影響。結(jié)果顯示,上述幾種不同的器件加工制備工藝都有各自的作用機(jī)制實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化,因此可以通過(guò)改變制備工藝,以實(shí)現(xiàn)調(diào)控器件性能參數(shù)的平衡,提高器件的光伏性能的目的。綜合利用上述四種制備工藝對(duì)器件進(jìn)行系統(tǒng)地優(yōu)化后,基于兩種不同的苯并二噻吩-喹喔啉類(lèi)共軛聚合物制備的BHJ電池的最高效率分別達(dá)到7.88%和8.51%,表明各種先進(jìn)的器件制備工藝和后處理等優(yōu)化手段的聯(lián)合利用,可以極大地提高聚合物光伏器件的性能。3分別以未封端處理的聯(lián)二噻吩-并吡咯二酮共軛聚合物,以及采用噻吩、喹喔啉卟啉和喹喔啉卟啉鋅對(duì)其進(jìn)行封端改性的四種聚合物為對(duì)象,通過(guò)制備相應(yīng)的光伏器件,詳細(xì)地研究了封端效應(yīng)對(duì)聚合物光伏性能的影響。研究結(jié)果顯示,封端能夠消除聚合物分子端基的缺陷,從而改善其器件的光伏性能；喹喔啉卟啉封端劑的使用,不但消除了分子端基的缺陷,而且增強(qiáng)了聚合物在短波方向吸收能力,因此有效地提高了聚合物的光伏效率。研究了熱退火、DIO溶劑添加劑,以及DIO和聯(lián)二吡啶二元復(fù)合添加劑后處理技術(shù)和工藝對(duì)器件活性層薄膜微觀形貌結(jié)構(gòu),繼而對(duì)其器件性能的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)聯(lián)吡啶新型溶劑添加劑上的氮原子可以和卟啉環(huán)上的鋅之間發(fā)生配位作用,從而提高聚合物分子鏈的排列規(guī)整度,并對(duì)共混膜中光伏聚合物的形貌起到鎖合固定作用,因此明顯改善了器件的能量轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)器件加工工藝的系統(tǒng)優(yōu)化,以未封端、采用噻吩封端、采用喹喔啉卟啉封端以及采用喹喔啉卟啉鋅封端的四種聯(lián)二噻吩-并吡咯二酮類(lèi)聚合物制備的太陽(yáng)能電池器件的轉(zhuǎn)化效率分別達(dá)到1.48%、2.45%,3.95%和4.45%,器件熱老化后的能量轉(zhuǎn)換效率保持率從未使用聯(lián)二吡啶的61%提高到了76%。
【關(guān)鍵詞】：聚合物 太陽(yáng)能電池 器件工藝 形貌結(jié)構(gòu) 封端
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-16
• 第一章 緒論16-36
• 1.1 太陽(yáng)能電池的發(fā)展背景16
• 1.2 太陽(yáng)能電池的發(fā)展歷史16-18
• 1.3 太陽(yáng)能電池的原理及性能表征18-23
• 1.3.1 聚合物太陽(yáng)能電池的原理18-19
• 1.3.2 聚合物太陽(yáng)能電池的性能表征19-23
• 1.4 太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)23-26
• 1.4.1 單層與雙層結(jié)構(gòu)23-24
• 1.4.2 本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)24-25
• 1.4.3 疊層器件與三元器件結(jié)構(gòu)25-26
• 1.5 太陽(yáng)能電池材料26-31
• 1.5.1 電極材料26-27
• 1.5.2 空穴和電子傳輸層材料27
• 1.5.3 活性層材料27-31
• 1.6 太陽(yáng)能電池器件31-34
• 1.6.1 器件制備31-33
• 1.6.2 性能表征33-34
• 1.6.3 常用試劑34
• 1.7 課題及研究?jī)?nèi)容34-36
• 第二章 氟代喹喔啉-噻吩類(lèi)聚合物光伏性能36-50
• 2.1 引言36
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分36
• 2.2.1 材料與試劑36
• 2.2.2 器件制備與表征36
• 2.3 結(jié)果與討論36-47
• 2.3.1 氟代喹喔啉噻吩的基本性質(zhì)36-39
• 2.3.2 光學(xué)性質(zhì)39-40
• 2.3.3 電化學(xué)性質(zhì)40-42
• 2.3.4 光伏性質(zhì)42-46
• 2.3.5 微觀結(jié)構(gòu)46-47
• 2.4 本章小結(jié)47-50
• 第三章 苯并二噻吩-喹喔啉類(lèi)聚合物光伏性能50-62
• 3.1 引言50
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分50
• 3.2.1 材料與試劑50
• 3.2.2 器件制備與表征50
• 3.3 結(jié)果與討論50-61
• 3.3.1 苯并二噻吩喹喔啉類(lèi)共軛共聚物基本性質(zhì)50-52
• 3.3.2 光學(xué)性能52-53
• 3.3.3 光伏性能和器件優(yōu)化53-61
• 3.4 本章小結(jié)61-62
• 第四章 卟啉封端對(duì)聯(lián)二噻吩-并吡咯二酮類(lèi)共軛聚合物光伏性能的影響62-72
• 4.1 引言62
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分62-63
• 4.2.1 材料與試劑62
• 4.2.2 器件制備與表征62-63
• 4.3 結(jié)果與討論63-70
• 4.3.1 聯(lián)二噻吩-并吡咯二酮類(lèi)共軛聚合物基本性質(zhì)63-64
• 4.3.2 光學(xué)性質(zhì)64-65
• 4.3.3 光伏性能65-68
• 4.3.4 形貌結(jié)構(gòu)68-70
• 4.4 本章小結(jié)70-72
• 第五章 結(jié)論72-74
• 參考文獻(xiàn)74-80
• 致謝80-81
• 研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文81-82
• 作者及導(dǎo)師介紹82-83
• 附件83-84

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