本文選題：聚合物太陽能電池　切入點(diǎn)：溶液加工性　出處：《南昌大學(xué)》2014年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：聚合物太陽能電池經(jīng)過近二十年的研究，已經(jīng)在活性層材料設(shè)計、活性層形貌控制、界面修飾、透明電極等領(lǐng)域取得了很大進(jìn)展。目前光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）最高的聚合物太陽能電池已經(jīng)達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用要求。除了獲得更高的效率、探尋統(tǒng)一的器件物理解釋之外，人們開始更多的關(guān)注器件性能的穩(wěn)定性。聚合物太陽能電池的溶液加工與大面積低成本制備工藝兼容，成為了新的焦點(diǎn)問題。為此對緩沖層材料和金屬電極材料的化學(xué)穩(wěn)定性和溶液加工性提出了新的要求。本論文主要圍繞聚合物太陽能電池組成材料的溶液加工方法進(jìn)行研究，，包括活性層材料、界面層材料和金屬電極材料。此外還涉及一些器件物理以及陰極緩沖層材料的探索工作。論文的內(nèi)容包括： 1.實(shí)現(xiàn)了純聚[2-甲氧基-5(2’-乙基)己氧基-1,4-苯撐乙烯](MEH-PPV)靜電紡絲的連續(xù)制備。以氯仿/異丙醇混合溶劑進(jìn)行電紡的優(yōu)勢在于，避免了非揮發(fā)性雜質(zhì)對光電器件性能產(chǎn)生的負(fù)面影響。上述二元溶劑中劣溶劑異丙醇的加入增加了MEH-PPV電紡溶液的可紡性。劣溶劑的主要作用是增加分子鏈間相互作用、提高溶液電導(dǎo)率、降低溶液表面張力。對MEH-PPV溶液和薄膜紫外熒光性能的研究發(fā)現(xiàn)，溶劑能夠顯著改變MEH-PPV鏈間的相互作用使紫外吸收峰發(fā)生移動。純MEH-PPV取向纖維在偏振熒光發(fā)光峰處的偏振比為5.9，各向異性值為0.47。上述數(shù)值明顯高于各向同性材料，說明高分子鏈優(yōu)先沿著電紡絲的長度方向排列。在MEH-PPV中混入聚己內(nèi)酯(PCL)之后，所得混合纖維的偏振比和各向異性值分別增加到11和0.66。這是因?yàn)镻CL的引入減少了MEH-PPV之間的能量傳遞。純MEH-PPV電紡絲的直徑在300nm至1100nm之間，將其電紡膜用作聚合物太陽能電池活性層效果不佳。原因有電紡膜厚度較厚，存在著孔隙以及相分離控制困難的問題。靜電紡絲制備的共軛聚合物一維結(jié)構(gòu)更適于單絲器件的制備。 2.以聚合物電紡絲作為模板，通過蒸鍍金屬并去除聚合物得到了可用于透明電極的金屬網(wǎng)絡(luò)。使用的聚合物有，聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚己內(nèi)酯(PCL)和聚丙烯酸(PAA)。制得性能最優(yōu)的Ag網(wǎng)絡(luò)具有和ITO相當(dāng)?shù)碾妼?dǎo)性以及在300nm～1100nm范圍內(nèi)70%的透過率，基本滿足透明電極的要求。將Ag網(wǎng)絡(luò)用于制備P3HT：PC61BM聚合物太陽能電池，所得器件效率最高為2.0%。高于PH1000作電極的器件，低于ITO電極的器件。主要原因是Ag網(wǎng)絡(luò)表面粗糙度較大，PH1000的厚度需要優(yōu)化以降低電極的表面粗糙度，減少漏電的發(fā)生以進(jìn)一步提高填充因子等性能參數(shù)。 3.將一種可溶液加工的鐵電聚合物——聚偏氟乙烯六氟丙烯(P(VDF-HFP))用作聚合物太陽能電池的電極緩沖層。P(VDF-HFP)具有良好的成膜性、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)、廣泛的商業(yè)來源并能提供可控的界面偶極。紫外光電子能譜和功函數(shù)測試表明，溶劑處理和P(VDF-HFP)都能在退火的P3HT:PC61BM表面引入附加偶極，使活性層/金屬界面更有利于陰極接觸。使用P(VDF-HFP)進(jìn)行陰極界面修飾的效果略高于含有LiF的器件。考慮到P(VDF-HFP)能夠?qū)ν饨珉妶鲎龀鲰憫?yīng)并改變偶極方向，我們將其用于反向器件的陽極緩沖層。所得反向器件在一開始具有很低的效率，但是隨著Ag電極的氧化和P(VDF-HFP)的正極化過程，器件效率逐漸升高，最終和蒸鍍MoO3的標(biāo)準(zhǔn)器件PCE相當(dāng)。在穩(wěn)定性上，含有P(VDF-HFP)的器件高于其他類型的器件。器件放置120天后，含有P(VDF-HFP)并經(jīng)歷正極化的器件PCE為2.4%，高于含有MoO3的標(biāo)準(zhǔn)器件。我們使用整體電荷轉(zhuǎn)移(ICT)模型解釋了偶極與表面真空能級移動、電極接觸之間的關(guān)系。對P(VDF-HFP)作用的機(jī)理進(jìn)行了理論解釋，由此說明P(VDF-HFP)通過簡單的電場極化調(diào)控能夠成為通用的緩沖層材料。 4.對聚合物太陽能電池的陰極界面修飾進(jìn)行了一些探索。對于反向電池的陰極修飾層ZnO，通過plasma處理能夠提高器件的開路電壓和填充因子，使電池PCE提高。其作用機(jī)理可能與plasma的清潔作用或新生成的含氧基團(tuán)有關(guān)。將聚偏氟乙烯(PVDF)或P(VDF-HFP)旋涂在ZnO的表面能夠提高器件的開路電壓和穩(wěn)定性。正極化過程則能使器件的開路電壓進(jìn)一步提高。我們還探索了一些材料用作正向電池陰極修飾層的可能性，包括富含羥基的D-甘露糖醇、富含氨基的三聚氰胺、含有羥基和羧基的D-絲氨酸、NaCl、KBr、PVDF和P(VDF-HFP)。其中甘露糖醇有陰極緩沖層的作用，但效果低于LiF。而NaCl、KBr、PVDF和P(VDF-HFP)則具有和LiF等同的效果。在陰極一側(cè)引入Ag等離子體能使器件性能相對提高10%。
[Abstract]:Polymer solar cells after nearly twenty years of research, has been in the design of active layer material, active layer morphology control, interface modification, transparent electrodes and other fields have made great progress. At present, the photoelectric conversion efficiency (PCE) of polymer solar cells has reached the highest commercial application requirements. In addition to obtain high efficiency, explore the physical unity the explanation, people began to pay attention to the stability of device performance more. Solution processing and large area of polymer solar cell and low cost preparation process compatible, has become the focus of new problems. This puts forward new requirements on the chemical stability of buffer layer material and the metal electrode material and solution processing. To study the solution processing method this paper is mainly composed of polymer solar cell materials, including active layer material, interface layer and metal electrode materials. It has involved And some device physics and the exploration of cathode buffer layer materials. The contents of this paper include:
1. to achieve a pure poly [2- methoxy -5 (2 '- ethyl Hexyloxy) 1,4-phenylenevinylene] -1,4- (MEH-PPV) continuous preparation of electrospinning. In chloroform / isopropanol mixed solvent for electrospinning is to avoid the negative effects of non volatile impurities on the photoelectric device performance of the two. In poor solvent isopropanol solvent adding to the electrospun MEH-PPV the spinnability of the solution. The main role is to increase the poor solvent interaction between molecular chains, enhance the conductivity of solution, reducing the surface tension of solution. Research on ultraviolet fluorescence properties of MEH-PPV solution and film, solvent can significantly change the interaction between MEH-PPV chains the ultraviolet absorption peak shift. Polarization peaks of pure MEH-PPV fiber orientation in polarized fluorescence at the ratio of 5.9, the numerical value of 0.47. anisotropy was significantly higher than that of isotropic material that preferentially along the electrospinning of polymer chain The length direction. Mixed with polycaprolactone (PCL) in MEH-PPV, the mixing ratio of the fiber and the polarization anisotropy values were increased to 11 and 0.66. this is because of the introduction of PCL to reduce the MEH-PPV energy transfer. The diameter of electrospun pure MEH-PPV between 300nm and 1100nm, the electrospun membrane used polymer solar cell active layer effect. Because electrospun membrane thickness, there are pores and control of phase separation. The difficult problem of one-dimensional structure of conjugated polymer electrospun monofilament is more suitable for device fabrication.
2. by electrospinning polymer as template by metal deposition and removal of polymer obtained can be used for metal network transparent electrodes. Using polymer, polyvinylpyrrolidone (PVP), polycaprolactone (PCL) and polyacrylic acid (PAA) was prepared. The optimal performance of the Ag network and ITO has considerable electrical conductivity as well as in the 300nm ~ 1100nm range and 70% transmittance, basically meet the requirement of transparent electrodes. The Ag network is used for the preparation of P3HT:PC61BM polymer solar cells, the efficiency of the device was the highest device 2.0%. is higher than that of PH1000 electrode, ITO electrode is lower than the device. The main reason is the Ag network greater surface roughness PH1000 thickness need to be optimized to reduce the electrode surface roughness, reduce the leakage occurred in order to further improve the filling factor and other performance parameters.
3. a solution process of ferroelectric polymer - poly vinylidene fluoride hexafluoropropylene (P six (VDF-HFP)) electrode buffer layer.P as the polymer solar cell (VDF-HFP) has excellent film-forming properties, stable chemical properties, extensive commercial sources and can provide controllable interfacial dipole. Ultraviolet photoelectron spectroscopy and the work function test shows that the solvent and P (VDF-HFP) can introduce additional dipole on the surface of P3HT:PC61BM annealing, the active layer / metal interface is more conducive to the cathode contact. The use of P (VDF-HFP) cathode interfacial modification effect is slightly higher in devices with LiF. Considering the P (VDF-HFP) to the external electric field respond to and change the direction of the dipole, we will use it to reverse the anode buffer layer device. The reverse device has very low efficiency in the beginning, but with the oxidation and P Ag electrode (VDF-HFP) is the process of polarization, the device. The rate increased gradually, and the final standard device PCE MoO3 steam plating. In stability, containing P (VDF-HFP) of the device is higher than that of other types of devices. Devices placed 120 days, containing P (VDF-HFP) and positive polarization device PCE is 2.4%, higher than the standard device containing MoO3. We use the whole charge transfer (ICT) model to explain the surface dipole and the vacuum level relationship between the moving electrode contact. The P (VDF-HFP) mechanism are explained, which indicates that P (VDF-HFP) by electric field polarization can be simple regulation of buffer material universal.
The exploration of cathode interface modification of 4. polymer solar cells. The cathode reverse battery of the modified layer by ZnO, plasma treatment can improve the device open circuit voltage and the fill factor, the battery PCE increased. The mechanism may be related to oxygen containing groups cleaning effect of plasma or new generation. Polyvinylidene fluoride (PVDF) or P (VDF-HFP) surface spin coating on ZnO can improve the open circuit voltage and the stability of the device. It can make the process of polarization devices to further improve the open circuit voltage. We also explored some possibility of modification layer of cathode material used as positive cells, including hydroxyl rich D- mannose rich amino alcohol, melamine, D- serine, hydroxyl and carboxyl groups of NaCl, KBr, PVDF and P (VDF-HFP). The mannitol cathode buffer layer, but the effect is lower than that of LiF. and NaCl, KBr, PVDF and P (VDF-HFP) is The effect of LiF is equal to that of LiF. The introduction of Ag plasma on the side of the cathode can improve the performance of the device relative to 10%.

【學(xué)位授予單位】：南昌大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TM914.4

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號：1581379