有機光伏器件因其成本低、環(huán)境友好、柔性、可大面積制備等優(yōu)點受到廣泛關注。當前,進一步提高有機光伏器件的效率及穩(wěn)定性仍然是研究焦點。傳統(tǒng)二元有機光伏器件的有源層是由一種給體和一種受體材料組成。有機半導體材料光子俘獲范圍較窄,其吸收光譜的半高全寬一般在150 nm以下,這就限制了二元有源層對光子的俘獲。有源層對光子的俘獲能力可以通過引入合適帶隙的第三組分得以增強。此外,合適的第三組分還可以作為形貌調控劑,優(yōu)化給受體相分離,實現(xiàn)更加有效的電荷傳輸和收集。合適第三組分的引入不僅可以提高有機光伏器件的性能,同時也保持了單結器件制備的簡潔性。本論文以調控有源層光子俘獲及形貌為切入點,以制備高效率有機光伏器件為核心目標。由于材料間光學帶隙、能級位置、載流子遷移率等特性的不同,三元有源層中的激子和載流子動力學過程更為復雜。通過制備各種體系的有機光伏器件,探究激子和載流子動力學過程,并對薄膜與器件光電特性進行表征,澄清了三元有機光伏器件的工作機理及性能提升的原因。在有源層材料篩選,有源層制備工藝優(yōu)化,器件工作機理分析等方面開展了系列研究工作。主要研究內容及創(chuàng)新點如下:1.研究了不同體系的有機光伏器件,揭... 

【文章來源】：北京交通大學北京市 211工程院校 教育部直屬院校

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【學位級別】：博士

【部分圖文】：

代表性給受體材料化學結構示意圖

北京交通大學博士學位論文4的最高值。圖1-1為相關給受體材料的化學結構圖。相信隨著有源層材料的不斷發(fā)展，有機光伏器件將逐步從實驗室走向商業(yè)化。圖1-1代表性給受體材料化學結構示意圖。Figure1-1Thetypicalchemicalstructuresofactivelayermaterials.1.1.3有機光伏器件工作機理有機光伏器件是將太陽能轉換為電能的裝置，主要利用材料的光生伏特效應完成能量轉換。有機光伏器件工作的基本物理過程包括光子俘獲、激子擴散與解離、載流子傳輸與收集。如圖1-2所示，太陽光通過透明電極材料進入有源層，能量大于有源層材料帶隙的光子被吸收，電子從最高占用分子軌道（HOMO）能級激發(fā)至最低未被占用分子軌道（LUMO）能級，形成束縛的電子-空穴對，也稱之為激子。激子擴散到給受體界面被解離生成自由的載流子。自由載流子通過給受體形成的域傳輸至電極，并被有效收集，最終完成光電轉換過程。圖1-2本體異質結有機光伏器件光電轉換過程示意圖[21]。Figure1-2Thephotoelectricconversionprocessofsingle-junctionorganicphotovoltaics(OPVs)[21].

引言5有機光伏器件的等效電路如圖1-3所示。有機光伏器件模型可以由一個理想電流源、一個理想二極管、一個并聯(lián)電阻（RSH）和一個串聯(lián)電阻（Rs）組成。IL為器件在光照的條件下該等效電源輸出的電流，IL一部分用來抵消結電流（ID），一部分為供給負載的電流（I），RSH是為考慮電池邊緣的表面漏電流而設計的一個等效并聯(lián)電阻，Rs為材料體電阻，電極與有源層的接觸電阻，電極本身傳導電流產(chǎn)生的電阻等復合得到的等效串聯(lián)電阻。很顯然，器件的Rs越小，RSH越大，越接近于理想有機光伏器件的模型，器件的性能也就越好。影響有機光伏器件能量轉換效率（PCE）的關鍵光伏參數(shù)主要為短路電流密度，開路電壓和填充因子。圖1-3理想有機光伏器件的等效電路圖和電流密度-電壓（J-V）特性曲線。Figure1-3EquivalentcircuitandJ-VcurvesofidealOPVs.（1）短路電流密度（JSC）當有機光伏器件在短路條件下即外加負載為零時，所測得的電流為短路電流。短路電流是器件工作時的最大輸出電流。單位面積的短路電流即為JSC。JSC的大小取決于有源層吸收光子的數(shù)目、激子解離效率、電荷傳輸及收集效率。有源層對光子的俘獲是實現(xiàn)器件高JSC的首要條件，要選擇吸收光譜與太陽光譜有較大重疊，且吸收系數(shù)較高的有源層材料。（2）開路電壓（VOC）VOC指的是斷開時的電壓，此時器件短路電流為0。VOC是器件輸出的最大電壓。VOC主要由給體材料的HOMO能級和受體材料的LUMO能級決定，如公式1-1所示：=1(0.3)(1-1)其中，e指基本電荷，指受體的LUMO能級，指給體的HOMO能級，0.3eV指有效電荷分離的經(jīng)驗值。此外，器件的VOC還與電極功函、界面材料、有源層形貌、溫度、光強等多種因素有關。（3）填充因子（FF）FF可以通過

【參考文獻】：
期刊論文
[1]效率超過17.2%類合金模型的三元聚合物太陽能電池（英文）[J]. 安橋石,王健,高威,馬曉玲,胡拯豪,高進華,徐春雨,郝明輝,張曉俐,楊楚羅,張�？�.  Science Bulletin. 2020(07)
[2]有機太陽電池效率突破18%（英文）[J]. 劉啟世,江宇凡,金柯,秦建強,許金桂,李文婷,熊驥,劉金鳳,肖作,孫寬,楊上峰,張小濤,丁黎明.  Science Bulletin. 2020(04)
[3]Altering alkyl-chains branching positions for boosting the performance of small-molecule acceptors for highly efficient nonfullerene organic solar cells[J]. Zhenghui Luo,Rui Sun,Cheng Zhong,Tao Liu,Guangye Zhang,Yang Zou,Xuechen Jiao,Jie Min,Chuluo Yang.  Science China（Chemistry）. 2020(03)
[4]Non-fullerene acceptor fibrils enable efficient ternary organic solar cells with 16.6% efficiency[J]. Donghui Li,Xiaolong Chen,Jinglong Cai,Wei Li,Mengxue Chen,Yuchao Mao,Baocai Du,Joel A.Smith,Rachel C.Kilbride,Mary E.O’Kane,Xue Zhang,Yuan Zhuang,Pang Wang,Hui Wang,Dan Liu,Richard A.L.Jones,David G.Lidzey,Tao Wang.  Science China（Chemistry）. 2020(10)
[5]Over 16.7% efficiency of ternary organic photovoltaics by employing extra PC71BM as morphology regulator[J]. Jinhua Gao,Jian Wang,Qiaoshi An,Xiaoling Ma,Zhenghao Hu,Chunyu Xu,Xiaoli Zhang,Fujun Zhang.  Science China（Chemistry）. 2020(01)
[6]光電高分子材料的研究進展[J]. 黃飛,薄志山,耿延候,王獻紅,王利祥,馬於光,侯劍輝,胡文平,裴堅,董煥麗,王樹,李振,帥志剛,李永舫,曹鏞.  高分子學報. 2019(10)
[7]Solvent additive-free ternary polymer solar cells with 16.27% ef?ciency[J]. Qiaoshi An,Xiaoling Ma,Jinhua Gao,Fujun Zhang.  Science Bulletin. 2019(08)
[8]Achieving over 16% efficiency for single-junction organic solar cells[J]. Baobing Fan,Difei Zhang,Meijing Li,Wenkai Zhong,Zhaomiyi Zeng,Lei Ying,Fei Huang,Yong Cao.  Science China（Chemistry）. 2019(06)
[9]High-efficiency quaternary polymer solar cells enabled with binary fullerene additives to reduce nonfullerene acceptor optical band gap and improve carriers transport[J]. Weiping Li,Dong Yan,Feng Liu,Thomas Russell,Chuanlang Zhan,Jiannian Yao.  Science China（Chemistry）. 2018(12)
[10]Thermostable single-junction organic solar cells with a power conversion efficiency of 14.62%[J]. Hui Li,Zuo Xiao,Liming Ding,Jizheng Wang.  Science Bulletin. 2018(06)

博士論文
[1]基于三元策略有機太陽能電池的制備及機理研究[D]. 張苗.北京交通大學 2019
[2]優(yōu)化有源層形貌提高有機太陽能電池性能的研究[D]. 孫倩倩.北京交通大學 2017
[3]三元有機太陽能電池的制備及機理研究[D]. 安橋石.北京交通大學 2017



本文編號：3602422