本文關(guān)鍵詞：高效聚合物太陽電池的電極修飾與光伏探測器的性能研究

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【摘要】：聚合物光伏器件是一種新型的能夠直接將太陽光子轉(zhuǎn)化為電能的器件,因具備質(zhì)量輕、成本低以及材料來源廣泛等優(yōu)點而被廣泛研究。一般來講,光伏器件可以分為兩類:光伏電池和光伏探測器。盡管這兩者在很多地方相同,但前者的目的在于將太陽能轉(zhuǎn)化為電能而后者則更傾向于捕捉具有特定波長的光信號并將其轉(zhuǎn)化為電信號。最近,已有諸多研究組報道了能量轉(zhuǎn)換效率超過10%的聚合物太陽電池,但這一結(jié)果離商業(yè)化應(yīng)用還有一定距離。因此,目前對聚合物太陽電池的研究主要集中在提升轉(zhuǎn)化效率方面。在眾多的性能提升方案中,對光活性層與電極之間的界面進行修飾是一種有效的方法。在本論文中,我們首先以共軛聚電解質(zhì)材料為陰極修飾層,用窄帶隙聚合物給體作為光吸收材料制備了能量轉(zhuǎn)化效率為6.56%的高效聚合物太陽電池。在該研究中,我們以常見的無機氧化鋅(Zn O)層和兩種聚電解質(zhì)材料PFN和PCEN作為陰極修飾層研究了影響器件性能的因素。實驗發(fā)現(xiàn),基于這三種陰極修飾材料的器件串聯(lián)電阻都非常小,不會造成器件性能的顯著差異。隨后的電容-電壓測試表明,采用PCEN和PFN可以增強器件的內(nèi)建電勢,增加激子的分離與載流子傳輸效率。瞬態(tài)光電壓研究揭示了器件中存在著兩種載流子復(fù)合途徑,分析器件在不同光強下開路電壓的變化曲線,我們得知使用聚電解質(zhì)層可以有效降低界面的陷阱濃度進而提升器件性能。隨后,我們首次通過實驗證實采用可溶液加工的傒酰亞胺n型小分子(PBI-1)可以作為高效聚合物太陽電池的陰極修飾層使用。我們發(fā)現(xiàn)用四氫呋喃將PBI-1旋涂在ITO襯底上時PBI-1分子可以通過分子的自組裝作用形成J型納米棒狀聚集。使用這種復(fù)合電極時在氯苯中溶解的PTB7:PC71BM光活性層可以直接旋涂在其表面。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的器件相比,經(jīng)PBI-1修飾的器件在效率上有明顯提升(PCE9%),而且這種效率的提升來自于短路電流、填充因子以及開路電壓的同時提高。該實驗表明,這類可溶液加工的n型PBI分子在高效聚合物電池的陰極界面修飾方面是很有前途的。在第三章中我們以溶液法制備的VOx作為空穴抽取層制備了高效聚合物太陽電池。通過采用雙層陽極修飾的方法,我們進一步提升了器件的性能,基于單層VOx,Vox/低電導(dǎo)率PEDOT:PSS,VOx/高電導(dǎo)PEDOT:PSS率陽極修飾層制備的器件效率分別為3.96%,4.06%和4.16%。之后,我們以不同的陽極修飾層(PEDOT:PSS,VOx和Mo Ox)系統(tǒng)地研究了它們對器件性能的影響,結(jié)果表明,陽極界面陷阱對器件的性能有較大影響,降低缺陷態(tài)密度有利于提升器件的性能。盡管基于吡咯并吡咯二酮(DPP)單元的材料在聚合物太陽電池方面被廣泛研究,但是它們作為光響應(yīng)材料在近紅外探測器方面的研究卻鮮有報道。在第四章中,我們以溶液加工方法將DPP類聚合物(PDPP3T,PDPPBT和PDPPT)制備成了高性能的聚合物近紅外探測器,它們均展示出了高的響應(yīng)度,探測度以及寬的線性動力區(qū)域。其中,基于PDPP3T的器件在855nm處具備310 m A/W的高響應(yīng)度,同時,該器件的線性動力區(qū)域?qū)掃_130d B,這兩個參數(shù)均接近目前文獻報道的最高值。隨后,我們以柔性透明的PEN基板替換剛性的玻璃襯底,制備了高效柔性探測器。時間響應(yīng)測試表明探測器的響應(yīng)時間小于1ms。另外,在測試的過程中柔性器件表現(xiàn)出了良好的柔韌性能,在便攜式設(shè)備,航空航天,夜視以及其它軍用和民用等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
【關(guān)鍵詞】：聚合物光伏電池 聚合物光伏探測器 過渡族金屬氧化物 水/醇溶共軛聚合物 傒酰亞胺 柔性探測器
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM914.4;O631
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 緒論12-43
• 1.1 引言12-14
• 1.2 有機/聚合物光伏器件簡介14-15
• 1.3 有機/聚合物光伏材料簡介15-18
• 1.3.1 窄帶隙材料16-17
• 1.3.2 高電離能的聚合物與低親和能受體材料17-18
• 1.3.3 界面修飾材料18
• 1.4 有機/聚合物光伏器件的關(guān)鍵參數(shù)18-22
• 1.4.1 開路電壓19
• 1.4.2 短路電流19
• 1.4.3 填充因子19-20
• 1.4.4 響應(yīng)度20
• 1.4.5 響應(yīng)時間20-21
• 1.4.6 歸一化探測度21
• 1.4.7 線性動力區(qū)域21-22
• 1.5 有機/聚合物光伏器件的器件物理過程22-24
• 1.5.1 光子的吸收22-23
• 1.5.2 激子的產(chǎn)生23
• 1.5.3 激子的擴散與分離23-24
• 1.5.4 載流子的傳輸24
• 1.5.5 載流子的抽取與收集24
• 1.6 聚合物光伏器件的制備技術(shù)24-28
• 1.6.1 旋轉(zhuǎn)涂布法24-25
• 1.6.2 刮刀涂布法25-26
• 1.6.3 絲網(wǎng)印刷法26-27
• 1.6.4 噴墨打印法27-28
• 1.6.5 卷對卷印刷法28
• 1.7 聚合物光伏器件的幾種表征技術(shù)28-41
• 1.7.1 電化學(xué)阻抗分析技術(shù)29-35
• 1.7.2 瞬態(tài)光電壓/光電流技術(shù)35-37
• 1.7.3 光照線性增壓瞬態(tài)技術(shù)37-39
• 1.7.4 光電子能譜技術(shù)39-41
• 1.8 本論文的設(shè)計思路和創(chuàng)新之處41-43
• 1.8.1 課題的提出41-42
• 1.8.2 論文的內(nèi)容與創(chuàng)新性42-43
• 第二章 聚合物太陽電池的陰極修飾43-63
• 2.1 引言43-44
• 2.2 水/醇溶共軛聚電解質(zhì)材料作為高效聚合物太陽電池的陰極修飾層44-55
• 2.2.1 背景介紹44-45
• 2.2.2 實驗?zāi)康?/span>45
• 2.2.3 器件制備與表征45-47
• 2.2.4 結(jié)果與討論47-55
• 2.3 傒酰亞胺作為高效聚合物太陽電池的陰極修飾層55-61
• 2.3.1 背景介紹55-56
• 2.3.2 實驗?zāi)康?/span>56
• 2.3.3 器件制備與表征56-57
• 2.3.4 結(jié)果與討論57-61
• 2.4 本章小結(jié)61-63
• 第三章 基于溶液法制備的過渡族金屬氧化物作為陽極修飾層在聚合物太陽電池中的應(yīng)用63-84
• 3.1 引言63-68
• 3.2 雙層陽極修飾法提升聚合物太陽電池的性能68-72
• 3.2.1 器件制備與表征68
• 3.2.2 結(jié)果與討論68-72
• 3.3 不同陽極修飾層對高PC71BM含量的聚合物太陽電池性能的影響72-83
• 3.3.1 器件制備與表征72-73
• 3.3.2 結(jié)果與討論73-83
• 3.4 本章小結(jié)83-84
• 第四章 基于吡咯并吡咯二酮的高效聚合物光伏探測器84-96
• 4.1 引言84-86
• 4.2 實驗部分86-87
• 4.2.1 材料與試劑86
• 4.2.2 器件的制備與測試86-87
• 4.3 結(jié)果與討論87-95
• 4.3.1 三種DPP類聚合物的光伏探測器的性能87-90
• 4.3.2 高效柔性聚合物探測器的制備與性能研究90-95
• 4.4 本章小結(jié)95-96
• 結(jié)論96-98
• 參考文獻98-112
• 攻讀博士學(xué)位期間取得的研究成果112-115
• 致謝115-117
• 附件117

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本文編號：651683