本文關鍵詞：聚合物太陽能電池器件結構與性能研究

  更多相關文章： 聚合物 太陽能電池 器件工藝 形貌結構 封端

【摘要】：聚合物太陽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,已成為國際上的研究熱點。盡管目前其相應的光電轉化效率已經(jīng)超過10%,但是仍然不能滿足商業(yè)化的要求。設計合成更高效率的光伏聚合物材料,發(fā)展新的器件結構、器件加工工藝和技術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象,系統(tǒng)地開展了器件制備工藝的研究和優(yōu)化工作,以揭示材料結構、器件制備工藝與器件性能之間的關系。主要研究的內(nèi)容和結果如下：1設計合成了三種分別不含氟、含一個氟和兩個氟功能取代基的喹喔啉-噻吩類共軛聚合物,對比研究了氟功能取代基對相應聚合物性能的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn),具有強吸電能力的氟功能取代基,對聚合物的LUMO能級幾乎沒有影響,但可以降低其HOMO能級,從而提高光伏器件的開路電壓；可以誘導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)絡結構。因此隨著引入的氟原子數(shù)目的增加,喹喔啉-噻吩類共軛聚合物的光伏性能逐漸提高。經(jīng)過系統(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電池的效率分別達到了2.82%、4.14%和5.19%。2以苯并二噻吩上帶有兩種不同側鏈取代基的聚苯并二噻吩-喹喔啉類共軛聚合物為活性層給體材料,制備單層BHJ結構的太陽能電池,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其性能的影響。結果顯示,上述幾種不同的器件加工制備工藝都有各自的作用機制實現(xiàn)性能優(yōu)化,因此可以通過改變制備工藝,以實現(xiàn)調控器件性能參數(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器件進行系統(tǒng)地優(yōu)化后,基于兩種不同的苯并二噻吩-喹喔啉類共軛聚合物制備的BHJ電池的最高效率分別達到7.88%和8.51%,表明各種先進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其進行封端改性的四種聚合物為對象,通過制備相應的光伏器件,詳細地研究了封端效應對聚合物光伏性能的影響。研究結果顯示,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)二吡啶二元復合添加劑后處理技術和工藝對器件活性層薄膜微觀形貌結構,繼而對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換效率和穩(wěn)定性。經(jīng)過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-并吡咯二酮類聚合物制備的太陽能電池器件的轉化效率分別達到1.48%、2.45%,3.95%和4.45%,器件熱老化后的能量轉換效率保持率從未使用聯(lián)二吡啶的61%提高到了76%。
【關鍵詞】：聚合物 太陽能電池 器件工藝 形貌結構 封端
【學位授予單位】：北京化工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-16
• 第一章 緒論16-36
• 1.1 太陽能電池的發(fā)展背景16
• 1.2 太陽能電池的發(fā)展歷史16-18
• 1.3 太陽能電池的原理及性能表征18-23
• 1.3.1 聚合物太陽能電池的原理18-19
• 1.3.2 聚合物太陽能電池的性能表征19-23
• 1.4 太陽能電池結構23-26
• 1.4.1 單層與雙層結構23-24
• 1.4.2 本體異質結結構24-25
• 1.4.3 疊層器件與三元器件結構25-26
• 1.5 太陽能電池材料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 課題及研究內(nèi)容34-36
• 第二章 氟代喹喔啉-噻吩類聚合物光伏性能36-50
• 2.1 引言36
• 2.2 實驗部分36
• 2.2.1 材料與試劑36
• 2.2.2 器件制備與表征36
• 2.3 結果與討論36-47
• 2.3.1 氟代喹喔啉噻吩的基本性質36-39
• 2.3.2 光學性質39-40
• 2.3.3 電化學性質40-42
• 2.3.4 光伏性質42-46
• 2.3.5 微觀結構46-47
• 2.4 本章小結47-50
• 第三章 苯并二噻吩-喹喔啉類聚合物光伏性能50-62
• 3.1 引言50
• 3.2 實驗部分50
• 3.2.1 材料與試劑50
• 3.2.2 器件制備與表征50
• 3.3 結果與討論50-61
• 3.3.1 苯并二噻吩喹喔啉類共軛共聚物基本性質50-52
• 3.3.2 光學性能52-53
• 3.3.3 光伏性能和器件優(yōu)化53-61
• 3.4 本章小結61-62
• 第四章 卟啉封端對聯(lián)二噻吩-并吡咯二酮類共軛聚合物光伏性能的影響62-72
• 4.1 引言62
• 4.2 實驗部分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 結果與討論63-70
• 4.3.1 聯(lián)二噻吩-并吡咯二酮類共軛聚合物基本性質63-64
• 4.3.2 光學性質64-65
• 4.3.3 光伏性能65-68
• 4.3.4 形貌結構68-70
• 4.4 本章小結70-72
• 第五章 結論72-74
• 參考文獻74-80
• 致謝80-81
• 研究成果及發(fā)表的學術論文81-82
• 作者及導師介紹82-83
• 附件83-84

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