【摘要】：隨著人類社會(huì)對(duì)能源需求的逐漸增加,對(duì)氣候問(wèn)題的日益關(guān)注,太陽(yáng)能作為一種清潔、可再生資源,受到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。有機(jī)太陽(yáng)電池以其成本低、柔性好,可大面積制備等優(yōu)點(diǎn),成為一大研究熱點(diǎn),并在近些年的研究中取得了眾多成果,在未來(lái)的發(fā)展中將具有巨大的應(yīng)用潛力。有效層是有機(jī)太陽(yáng)電池中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的重要組成部分,其對(duì)光的吸收以及內(nèi)部的輻射復(fù)合等情況都會(huì)影響電池的效率。對(duì)有效層光學(xué)性能所對(duì)應(yīng)的光譜進(jìn)行相應(yīng)分析,可以在一定程度上為有機(jī)太陽(yáng)電池的進(jìn)一步優(yōu)化提供方向,具有一定的研究意義。在本文中,基于目前主流的聚-3已基噻吩:苯基C60丁酸甲酯(P3HT:PCBM)材料做有效層的體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池,對(duì)有效層進(jìn)行了紫外-可見(jiàn)吸收譜、光致發(fā)光譜及拉曼光譜行為的測(cè)試。通過(guò)分析,得到以下的結(jié)果:1.在P3HT:PCBM有效層中,主要的吸光物質(zhì)是P3HT材料,其吸收主要源于其共軛結(jié)構(gòu)中電子的π-π*躍遷,主要的吸收范圍在300-650nm;其光致發(fā)光激發(fā)峰值位于640nm,710nm和780nm處。P3HT:PCBM較之P3HT材料,吸收曲線的吸收范圍有所擴(kuò)大,但可見(jiàn)光區(qū)域峰值位置呈現(xiàn)出短波長(zhǎng)方向的偏移,同時(shí)吸收強(qiáng)度也有所減小;在光致發(fā)光譜方面,也出現(xiàn)了峰值藍(lán)移現(xiàn)象及強(qiáng)度衰減現(xiàn)象。結(jié)合拉曼光譜分析可得,PCBM分子的加入使聚合物中的有序性遭到了破壞,吸收降低,峰值位置移動(dòng)。但是從能級(jí)結(jié)構(gòu)角度分析,能級(jí)的匹配與載流子遷移率的增強(qiáng),使電荷的復(fù)合程度顯示出一定的減弱,造成光致發(fā)光強(qiáng)度的衰減。通過(guò)改變P3HT:PCBM的比例,結(jié)合相應(yīng)器件的電學(xué)測(cè)試結(jié)果,發(fā)現(xiàn)隨著PCBM比例的增大,器件的開路電壓逐漸增大,這種變化與有效層形貌變化引起的能級(jí)變動(dòng)有關(guān)。當(dāng)這一比例值為1:0.8時(shí),電池的效率及短路電流密度達(dá)到最高值。對(duì)其光譜結(jié)果進(jìn)行分析,其結(jié)果在于該比例下兩者在有效層中所形成的交互網(wǎng)絡(luò)最佳,從而使吸收與復(fù)合的綜合效果最好。2.為了進(jìn)一步提高有機(jī)太陽(yáng)電池的效率,退火工藝被應(yīng)用于器件的制備中。退火處理使P3HT:PCBM太陽(yáng)電池的電學(xué)性能參數(shù)得到了顯著的提高。通過(guò)光學(xué)性能分析可得,退火之后,P3HT:PCBM有效層的吸收曲線強(qiáng)度增強(qiáng)并且可見(jiàn)光區(qū)域的峰值位置向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng),光致發(fā)光譜呈現(xiàn)衰減趨勢(shì),X射線衍射圖呈現(xiàn)峰值強(qiáng)度的增強(qiáng)。這些結(jié)果顯示,退火使有效層中P3HT聚合物的晶體化程度增大,兩種材料產(chǎn)生相分離現(xiàn)象,同時(shí)遷移率也隨之增大。當(dāng)退火時(shí)長(zhǎng)和溫度增加時(shí),相分離的距離會(huì)不斷大,距離的增大會(huì)導(dǎo)致激子有效分離的效率降低,與此同時(shí)遷移率的增加會(huì)使電荷輸運(yùn)的效率增加。因此,在時(shí)長(zhǎng)及溫度的變化中,將會(huì)存在某一平衡點(diǎn)。經(jīng)過(guò)光譜分析和器件測(cè)量可得,退火溫度為150攝氏度、時(shí)長(zhǎng)為15分鐘應(yīng)該為最優(yōu)設(shè)置。
[Abstract]:With the increasing demand for energy and the increasing attention to climate, solar energy, as a clean and renewable resource, has been used more and more widely. Organic solar cells have become a research hotspot because of their advantages of low cost, good flexibility and large area preparation, and have made many achievements in recent years, and will have great application potential in the future development. The effective layer is an important part of photovoltaic conversion in organic solar cells. The absorption of light and the internal radiation recombination will affect the efficiency of the cell. The analysis of the spectrum corresponding to the optical properties of the effective layer can provide a direction for the further optimization of organic solar cells to a certain extent and has a certain significance of research. In this paper, the UV-Vis absorption spectra of the active layer of polyhexylthiophene: phenyl C60 butyrate (P3HT:PCBM) based bulk heterojunction solar cells are studied. Measurement of photoluminescence and Raman spectra. Through analysis, the following results are obtained: 1. In the effective layer of P3HT:PCBM, the main absorbent material is P3HT, whose absorption is mainly due to the 蟺-蟺 * transition of electrons in its conjugated structure, and the main absorption range is 300-650 nm. The peak value of photoluminescence excitation is at 710nm and 780nm. Compared with P3HT material, the absorption range of P3HT:PCBM is enlarged, but the peak position of visible region is shifted in the direction of short wavelength, and the absorption intensity is decreased. The peak blue shift and intensity attenuation are also observed in photoluminescence. In combination with Raman spectroscopy, the order of the polymer was destroyed, the absorption decreased and the peak position shifted with the addition of PCBM molecule. However, from the point of view of energy level structure, the matching of energy level and the increase of carrier mobility make the recombination degree of charge show a certain weakening, resulting in the attenuation of photoluminescence intensity. By changing the proportion of P3HT:PCBM and combining with the electrical test results of the corresponding devices, it is found that with the increase of the proportion of PCBM, the open circuit voltage of the device increases gradually, which is related to the energy level change caused by the change of the effective layer morphology. When the ratio is 1: 0.8, the cell efficiency and short-circuit current density reach the maximum value. The spectral results are analyzed. The result is that the interaction network formed in the effective layer is the best under this ratio, so that the comprehensive effect of absorption and composition is the best. 2. In order to improve the efficiency of organic solar cells, annealing process has been applied to the fabrication of organic solar cells. Annealing treatment improves the electrical properties of P3HT:PCBM solar cells. After annealing, the absorption curve of the effective layer of P3HT:PCBM increases and the peak position of the visible region moves to the long wavelength direction, and the photoluminescence spectrum tends to decay. The X-ray diffraction pattern shows the enhancement of peak intensity. These results show that annealing increases the degree of crystallization of P3HT polymers in the effective layer, resulting in phase separation between the two materials, and the mobility also increases. With the increase of annealing time and temperature, the distance of phase separation increases, and the efficiency of effective exciton separation decreases with the increase of distance. At the same time, the increase of mobility increases the efficiency of charge transport. Therefore, in the time and temperature changes, there will be a certain equilibrium point. The annealing temperature is 150 degrees Celsius and the duration of 15 minutes should be set optimally after spectroscopic analysis and device measurement.
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM914.4

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本文編號(hào)：2365203