本文關(guān)鍵詞：優(yōu)化有源層形貌提高有機(jī)太陽能電池性能的研究　出處：《北京交通大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

  更多相關(guān)文章： 有機(jī)太陽能電池 有源層形貌 光電轉(zhuǎn)換效率 穩(wěn)定性

【摘要】：近年來,有機(jī)太陽能電池得到快速發(fā)展。但是與傳統(tǒng)無機(jī)太陽能電池相比,有機(jī)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性仍然較低,還達(dá)不到產(chǎn)業(yè)化的要求。不僅有機(jī)太陽能電池的性能有待提高,其復(fù)雜的工作機(jī)理也需要進(jìn)一步研究。本論文以制備高效率高穩(wěn)定性的有機(jī)太陽能電池為核心目標(biāo),以優(yōu)化有源層形貌為研究重點(diǎn),以采用不同分子結(jié)構(gòu)的受體、優(yōu)化有源層自組裝過程和開發(fā)有效的后處理工藝為切入點(diǎn),以薄膜形貌表征技術(shù)、光學(xué)與光譜學(xué)表征技術(shù)、電學(xué)表征技術(shù)、表面成分表征技術(shù)為支撐點(diǎn),以探索優(yōu)化有源層形貌提高器件性能的關(guān)鍵科學(xué)問題為落腳點(diǎn)。主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)通過研究不同分子結(jié)構(gòu)的受體對(duì)給受體分子排布方式的影響,探索給受體分子排布方式對(duì)有機(jī)太陽能電池性能的影響機(jī)理。以SMPV1:PC71BM和SMPV1:ICBA為有源層的有機(jī)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率分別為7.05%和2.54%。以ICBA為受體的器件短路電流遠(yuǎn)低于以PC71BM為受體的器件短路電流,主要原因有以下兩點(diǎn):(ⅰ)ICBA在可見光范圍內(nèi)吸光能力低于PC71BM;(ⅱ)SMPV1和ICBA分子間垂直交叉的分子排布方式會(huì)限制激子的解離、電荷的傳輸和收集。通過給體和受體的分子結(jié)構(gòu)調(diào)控給受體分子排布方式,為提高有機(jī)太陽能電池的性能提供了一種新途徑。(2)利用醇溶液調(diào)控有源層自組裝時(shí)間,探索有源層在自組裝過程中給受體分子排布的變化趨勢(shì)。在有源層上表面旋涂PFN甲醇溶液的方法既可以快速地終止有源層自組裝過程,又可以制備PFN界面修飾層。有源層(PffBT4T-20D:PC71BM)的自組裝時(shí)間以20分鐘為間隔從20分鐘被調(diào)整到120分鐘。經(jīng)過80分鐘的有源層自組裝和PFN界面修飾層的添加,有機(jī)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率從6.74%提高到8.66%。研究表明有源層在自組裝過程中有兩個(gè)變化趨勢(shì):(ⅰ)給體分子排布方式逐漸從edge-on向face-on轉(zhuǎn)變,有利于空穴的傳輸;(ⅱ)給受體相分離尺度逐漸地增加,過長(zhǎng)時(shí)間的有源層自組裝會(huì)導(dǎo)致過大的給受體相分離尺度,不利于激子的解離。有源層自組裝時(shí)間對(duì)給體分子排布方式和給受體相分離的優(yōu)化起到關(guān)鍵的作用,調(diào)控有源層的自組裝時(shí)間是非常有必要的。在有源層上表面旋涂醇溶液是調(diào)控有源層自組裝時(shí)間的有效策略。(3)采用倒置的有源層干燥方法調(diào)控有源層自組裝過程,優(yōu)化給體分子排布的有序性以及給受體垂直結(jié)構(gòu)相分離程度。采用倒置的有源層干燥方法明顯地提高了基于四種不同有源層(PTB7-Th:PC71BM、PTB7:PC71BM、PffBT4T-20D:PC71BM和PBDT-TS1:PC71BM)的有機(jī)太陽能電池的效率和穩(wěn)定性。采用倒置的有源層干燥方法提高有機(jī)太陽能電池性能的原因可歸納為以下三點(diǎn):(ⅰ)提高了給體分子π-π堆積的有序性及緊密性,有利于空穴傳輸;(ⅱ)優(yōu)化了給受體垂直結(jié)構(gòu)相分離,有利于電荷的傳輸和收集;(ⅲ)使PC71BM更穩(wěn)固地分布在更有序及更緊密的給體網(wǎng)絡(luò)中,提高了器件的穩(wěn)定性。通過穩(wěn)定性測(cè)試研究表明封口膜封裝方法可以有效地阻擋水和氧向器件內(nèi)部擴(kuò)散,提高有機(jī)太陽能電池的穩(wěn)定性。(4)利用甲醇和溶劑添加劑的互溶特性,采用甲醇或PFN甲醇溶液浸潤(rùn)有源層優(yōu)化給受體垂直結(jié)構(gòu)相分離。在溶劑添加劑DIO和甲醇的揮發(fā)過程中,PC71BM分子會(huì)向有源層的上表面遷移,通過調(diào)控甲醇浸潤(rùn)時(shí)間可以精細(xì)地調(diào)控給受體垂直結(jié)構(gòu)相分離程度。采用PFN甲醇溶液浸潤(rùn)有源層的方法,不僅可以形成PFN界面偶極增加穿過有源層的內(nèi)建電場(chǎng),還可以利用甲醇優(yōu)化給受體垂直結(jié)構(gòu)相分離。采用先甲醇浸潤(rùn)有源層后旋涂PFN甲醇溶液的兩步法策略,既可以優(yōu)化有源層中給受體垂直結(jié)構(gòu)相分離又可以獲得超薄的PFN界面偶極層,為提高有機(jī)太陽能電池性能提供了簡(jiǎn)單有效的方法。先調(diào)控有源層自組裝時(shí)間后采用兩步法策略可以先優(yōu)化給體分子排布方式,再調(diào)控受體分子再分布,最后獲得超薄的PFN界面偶極層。這種逐步的優(yōu)化策略通過協(xié)同地優(yōu)化有源層自組裝時(shí)間和甲醇浸潤(rùn)時(shí)間可以進(jìn)一步提高有機(jī)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
[Abstract]:In recent years, organic solar cells have a rapid development. But compared with the traditional inorganic solar cells, photoelectric conversion efficiency and stability of organic solar cells is still low, has not yet reached the requirement of industrialization. Not only the performance of the organic solar cell needs to be improved, the working mechanism of the complex also need further research. The organic solar cell based on the preparation of high efficiency and high stability is the core goal, to optimize the morphology of the active layer is the focus of the study, using different receptor molecule structure, optimization of the active layer self-assembly process and the development of effective postprocessing technology as the starting point, the film morphology characterization techniques, optical and spectroscopic characterization techniques, electrical characterization techniques, surface composition characterization techniques for the support, in order to explore the optimization of active layer morphology to improve key scientific problems in device performance as the foothold. The main contents are as follows: (1). The effect of different molecular structure of the receptor to receptor molecular arrangement, to explore the molecular arrangement of receptor effects on the performance of organic solar cells. The mechanism of the photoelectric conversion efficiency of organic solar cell active layer with SMPV1:PC71BM and SMPV1:ICBA were 7.05% and 2.54%. with ICBA as the short-circuit current is far lower than that of PC71BM receptor the short-circuit current of the receptor, there are two main reasons: (I) ICBA in the range of visible light absorption ability is lower than PC71BM; (II) the dissociation of the vertical cross way molecular arrangement SMPV1 and ICBA molecules will limit the exciton, charge transfer and collection. The molecular structure of the regulation of donor and acceptor donor acceptor the molecular arrangement, which provides a new way to improve the performance of organic solar cells. (2) the use of alcohol solution control active layer self-assembly time, explore the active layer in group The change trend of receptor molecules arranged to process. In the method of surface active layer spin coated PFN methanol solution can be quickly terminated active layer self-assembly process, and the preparation of PFN interface modification layer. The active layer (PffBT4T-20D:PC71BM) self-assembly time on a 20 minute interval from 20 minutes to be adjusted 120 minutes. After 80 minutes of active layer self-assembly and PFN interface modification layer, the photoelectric conversion efficiency of organic solar cells increased from 6.74% to 8.66%. of the active layer in the self-assembly process has two trends: (I) to split sub arrangement gradually from edge-on to face-on transformation, transmission for hole; (II) to the receptor separation scale gradually increased, the active layer long self-assembly leads to excessive phase separation to the receptor scale, is not conducive to the exciton dissociation. Active layer self-assembly time to split Optimal arrangement and phase separation of the receptor to play a key role in self-assembly time regulation of the active layer is very necessary. In the active layer on the surface of the alcohol solution is regulation of spin coated active layer self-assembly time effective strategies. (3) using inverted active layer drying method of active layer self control the assembly process, in order to optimize the body and to the receptor molecular arrangement of the vertical structure of the degree of phase separation. The inversion of the active layer drying method is obviously improved based on four different active layer (PTB7-Th:PC71BM, PTB7:PC71BM, PffBT4T-20D:PC71BM and PBDT-TS1: PC71BM) efficiency and stability of organic solar cell. The inversion of the active layer drying method to improve because the performance of the organic solar cell can be summarized as the following three points: (I) to improve the orderly molecular stacking and close, in favor of hole transport; (II) optimization The vertical structure of phase separation to the receptor, which is beneficial to the charge transfer and collection; (III) to make PC71BM more firmly in the distribution of more orderly and more closely to the network, improve the stability of the device. Through the test of stability showed that sealing film packaging method can effectively prevent water and oxygen diffusion to internal devices, improve the stability of organic solar cells. (4) solubility characteristics using methanol and solvent additive, infiltration of the active layer to optimize the vertical structure of receptor phase separation by using methanol or methanol solution of PFN. In the process of solvent volatile additive DIO and methanol, PC71BM molecules to the surface migration of the active layer, can be finely tuned to the receptor the vertical structure of the degree of phase separation through the regulation of methanol infiltration time. Using PFN methanol solution method of infiltration of the active layer, not only can increase through the formation of PFN interfacial dipole in the active layer of the built-in electric field also Can optimize the utilization of methanol to the receptor vertical structure of phase separation. Two step strategy using methanol infiltration active layer was spin coated PFN methanol solution, which can optimize the active layer to the receptor vertical structure phase separation and can obtain PFN interface thin, in order to improve the performance of organic solar cell provides a simple and effective method. The first regulation of active layer self-assembly time after the two step strategy can give first optimization molecular arrangement, and regulation of the receptor molecular distribution, finally obtained the PFN interfacial dipole layer thin. This gradual optimization strategy with the optimization of the active layer self-assembly time and methanol soaking time can further improve the photoelectric conversion efficiency of organic solar cells through the association.

【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TM914.4

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本文編號(hào)：1371405