提高体异质结有机太阳能电池特性的研究_图文

1、北京交通大学硕士学位论文提高体异质结有机太阳能电池特性的研究姓名:胡涛申请学位级别:硕士专业:物理电子学指导教师:徐叙瑢20090501 提高体异质结有机太阳能电池特性的研究作者:胡涛学位授予单位:北京交通大学相似文献(10条1.学位论文雷德生C<,60>和PCBM共掺P3HT体异质结太阳能电池的研究2009太阳能作为一种清洁的可再生能源越来越引起人们的重视,无机太阳能电池能量转换效率可以轻松突破15%,但是由于硅材料具有较高的成本,使其发展大受限制。而对于聚合物光伏器件,由于其具有较低的材料和制作成本、良好的机械性和柔韧性、化学结构的可操作性使其变得非常有潜力,当前基于PCBM(

2、6,6-pheny1 C61-butyric Acid Methyl Ester和P3HT(Poly(3-Hexylthiophene的光伏器件能量转换效率可以突破6%,与无机太阳能电池相比,其转换效率比较低,发展受到一定制约。因此目前的研究主要集中在材料的选择和器件结构的优化上面。本文首先回顾了基于聚合物/富勒烯的体异质结太阳能电池的发展历程和发展现状;而后介绍在聚合物光伏中常用的几种材料器件的结构,接着介绍了有机光伏的基本机理。最后针对目前有机光伏光电转换率较低的不足,使用C60和PCBM作为电子受主共同掺杂到施主材料P3HT中,分析了C60在改善器件性能方面的作用,同时研究了退火方式以及

3、溶剂效应对于P3HT:PCBM:C60体异质结光伏体系微区形貌和器件性能的影响。本文使用C60和PCBM作为电子受体对P3HT掺杂制成体异质结太阳能电池,分别制备了ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/A1和ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM:C60/A1器件,通过改变制作工艺,经过分析各种器件的-曲线,结果表明以PCBM和C60共同作为电子受主效率明显优于单纯使用PCBM,太阳能电池的光电转换效率有了显著的增长;ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM:C60/A1器件在不同退火方式和退火温度下性能有很大的不同,使用器件退火(post-anneal的方式,在140

4、下对光伏器件热处理10分钟,器件的性能较高;不同溶剂对有机薄膜的微区形貌有很大影响,最终影响电池的光电转换效率。具体结果如下:1.在C60加入以后,改善了电子受主材料(PCBM+C60的LUMO能级(Lowest Unoccupied Molecular Orbital(最低未占据轨道,使得太阳能电池的开路电压有了一定的增长。2.证实了器件退火的方法可以有效增大器件的并联电阻和开路电压;同时使用器件退火的方式减少了串联电阻,使有机层和金属电极之间有更好的分离界面,薄膜有更好的自组装效应,太阳能电池有更高的的短路电流密度;且以PCBM和C60共掺P3HT的光伏器件,在140下对器件退火处理,薄膜

5、内三种物质有最佳的相分离尺度,器件的性能也相应较高。3.C60在不同溶剂中溶解度不同,实验证明其在邻二氯苯(1.2-dichlorobenzene(ODCB中有较好的溶解度;P3HT:PCBM:C60三种材料溶于ODCB时,器件有更好的表面形貌,最终改善了器件的短路电流密度和光电转换效率。4.邻二氯苯(DCB为溶剂的前提下,P3HT:PCBM:C60薄膜的形貌要优于P3HT:PCBM的形貌;使用氯苯(CB:邻二氯苯(ODCB的混合溶剂,随着C60的加入,甚至可以产生贯穿整个有机层的C60电子传输通道,提高了有机层的电子传输能力和阴极的电子收集能力:即在金属电极附近,受主分子的相对面积变大,解决

6、了体异质结中电子、空穴不能分别被阴极、阳极所接收的问题,最终改善了太阳能电池的光电转换效率(PCE=5.38%。2.学位论文苏梦蟾聚合物有机太阳能电池器件的研究2006当今世界随着经济的快速发展,能源问题越来越引起人们的重视。矿物燃料枯竭引起的能源危机,燃烧矿物燃料引起的温室效应使得人类的生存环境面临重大挑战。占地球总能量99以上的太阳能逐渐进入人们的视野,太阳能所具有的分布广阔获取方便、对人无害不污染环境、取之不尽用之不竭的优点受到众多科学家的青睐。本论文则是针对具体基于聚合物有机太阳能电池的研究,主要在两个方面进行了有益探索:第一,对于不同结构的有机太阳能电池的比较研究。我们使用了MEH-

7、PPV为给体(空穴传输、C60为受体(电子传输首先制备了分层和体异质结结构的两聃器件,器件结构为ITO/PEDOT:PSS/MEH-PPV/C<,60>Al和ITO/PEDOT:PSS/MEH-PPV:C<,60>/Al。之后又制备了结构为ITO/PEDOT:PSS/MEH-PPV:C<,60>/C<,60>/Al的第三个器件。我们比较了这三种器件的光伏性质,发现器件3的短路电流密度(Jsc比器件1和器件2的分别增加了300和150,开路电压(V<,oc>分别增加了100和20。这主要是由于C<,60>层增加了电子由受体传

8、输到负电极的通道并增大了给体受体界面面积。另一原因是这一C<,60>层一定程度地阻挡了空穴从有机物向阴极的传输。因此这一结构上的改进有效地改善了电池的性能。第二,基于对前面工作的进一步深入,探讨了对于有机太阳能电池的阳极修饰的比较研究,得到了令人兴奋的结果。在这一部分共制备了四种不同结构的有机太阳能电池器件。其器件结构是,器件1:ITO/LiF/PEDOT:PSS/MEH-PPV/C<,60>/Al、器件2:ITO/PEDOT:PSS/MEH-PPV/C<,60>/Al、器件3:ITO/LiF/PEDOT:PSS/MEH-PPV:C<,60>/C

9、<,60>/Al和器件4:ITO/PEDOT:PSS/MEH-PPV:C<,60>/C<,60>/Al。之后我们测量了它们的电流一电压特性,结果显示出在ITO和PEDOT:PSS之间插入一薄层LiF使得器件性能得到较大提高。其器件1的J<,SC>和FF比器件2的提高了74和31;器件3的J<,SC>比器件4的提高了约40。这主要是由于LiF层在ITO和PEDOT:PSS之间形成了良好的界面特性,并且本文作者推测LiF层可能有效地抑制了空穴向阳极的传输。因此,这种结构上的改进有效地提高了有机太阳能电池的性能。实验结果表明,由于增大了给体

10、受体界面面积,互穿网络结构的有机太阳能电池优于分层结构和体异质结结构的有机太阳能电池;由于修饰物有着良好的界面特性并且可能有效抑制空穴向阳极的传输,阳极修饰的太阳能电池性能得到很大提高。.ZHAO Su-ling.SONG Jing-lu.LI Jun-ming.SONG Dan-dan.WANG Yong-sheng活性层厚度对体异质结聚合物太阳能电池性能的影响-光谱学与光谱分析2010,30(7制备了MEH-PPV(poly2-methoxy-5-(2'-ethylhexyloxy-1,4-plaenylenevinylene和PCBM(1-(3-mehyloxycarbonylp

11、ropyl-phenyl6,6C61共混体系的聚合物太阳能电池.通过改变MEH-PPV:PCBM(质量比为1:4混合溶液的浓度及旋涂时的转速来改变活性层的厚度,研究了器件性能随活性层厚度的变化.当旋涂速率小于4 000 r·min-1时随着厚度的减小,开路电压没有明显的变化,基本在0.8 V左右,但短路电流呈现单调上升的趋势,填充因子略有下降.当旋涂速率大于5 000 r·min-1时,开路电压和短路电流都开始下降.其中,开路电压从5 000 r·min-1时的0.78 V下降到8 000 r·min-1时的0.67 V,短路电流更是从5 000 r&#

12、183;min-1时的3.96mA·cm-2下降到8 000 r·min-1时的1.76 nA·cm-2.短路电流受光吸收和载流子传输两方面的共同影响,而活性层厚度的变化使得这两方面的影响产生相悖的效果.活性层越厚,光生激子数越多,但同时内建电场变弱,而且激子解离后得到的载流子传输到相应电极的距离越长,载流子被电极收集的概率减小.开路电压的降低则源于激子在MEH-PPV和PCBM与相应电极界面处解离比重的增加.4.学位论文赵云基于P3HT:PCBM体系聚合物薄膜光伏电池研究2009聚合物太阳能电池具有制备过程简单、成本低、重量轻、可制成柔性器件等突出优点,引起了人

13、们的广泛关注。但是相对于无机太阳能电池来说,聚合物薄膜太阳能电池由于存在着共轭聚合物材料电荷迁移率比较低、吸收与太阳光谱不匹配等缺点,导致目前聚合物薄膜太阳能电池的能量转换效率还较低。立构规整的聚3-已基噻吩(P3HT具有高的电荷迁移率和合适的禁带宽度,同时具有良好的自组装特性,是一种优良的聚合物薄膜太阳能电池电子给体材料。以P3HT为电子给体材料、富勒烯C60的衍生物6,6-苯基-C61-丁酸甲脂(PCBM为电子受体材料组成的体异质结结构是目前倍受关注和较为成功的材料组合。本论文以P3HT:PCBM体系聚合物体异质结太阳能电池为研究对象,系统研究了P3HT:PCBM共混薄膜的形态结构以及电极

14、界面对聚合物薄膜太阳能电池光伏性能的影响。主要成果及创新点如下:1.研究了热退火处理对P3HT:PCBM活性层薄膜形态结构和电池光伏性能的影响。研究发现热退火处理能有效改善P3HT的结晶性能,同时使P3HT和PCBM发生去混合作用形成纳米尺度的相分离,改善了电荷的传输和收集效率。研究发现,对于具有不同活性层薄膜厚度的光伏电池器件,相应的退火条件也各不相同,一般来说,活性层薄膜较厚的器件,需要更高的退火温度或者更长的退火时间来达到最佳的器件性能。2.系统研究了有机溶剂蒸气处理对P3HT:PCBM活性层薄膜形态结构和电池光伏性能的影响。研究发现良溶剂蒸汽处理能够诱导P3HT发生自组装,排列有序性提

15、高,从而有效改善了活性层薄膜吸光性能和空穴传输性能。同热退火处理相比,溶剂蒸气处理更能使P3HT发生自组装形成更加有序的结构,从而改善空穴迁移率。而热退火处理更能使得PCBM发生扩散和聚集,从而形成有效的电子传输路径。结合溶剂蒸气处理和热退火处理可形成利于电子和空穴传输的互穿路径,提高电荷收集效率,光伏性能明显高于单纯热退火和单纯溶剂蒸气处理的光伏电池的性能。 3.利用添加不良溶剂丙酮的方法在P3HT在氯苯溶液中聚集形成纤维状P3HT纳米晶,研究了P3HT纳米纤维晶对P3HT:PCBM体系聚合物体异质结太阳能电池光伏性能的影响。研究发现P3HT纳米纤维晶形成的相互连接的网络能够有效改善空穴传输

16、性能;在P3HT:PCBM活性层薄膜中随着P3HT纳米纤维晶含量的增加薄膜的吸收和空穴传输性质明显改善。少量的P3HT纳米纤维晶一方面可使P3HT和PCBM发生去混合作用形成微相分离,同时P3HT纳米纤维晶构筑的网络结构改善了空穴传输,从而可以提高电池的电荷收集效率;但是过多的P3HT纤维晶会抑制PCBM发生去混合从而形成电子陷阱,降低了电荷收集效率。4.在P3HT:PCBM活性层和金属阴极之间引入了不同的界面层,研究了界面性质对光伏电池开路电压和电荷收集效率的影响。研究发现超薄CaO界面层的引入可有效抑制由金属电极Al到PCBM电子转移,从而降低在电极界面处的能量损失,可使电池的开路电压提高

17、到0. 78V。针对蒸镀金属阴极时金属原子扩散造成的激子淬灭从而影响电荷收集效率的问题,将醇溶性含磷酸酯聚芴做为阴极界面层应用到聚合物薄膜电池中,一定厚度的含磷酸酯聚芴界面层不但可以有效阻挡蒸镀金属阴极过程中金属原子向P3HT:PCBM活性层的扩散,从而降低光生载流子复合,而且由于磷酸酯聚芴和金属铝的特殊相互作用降低了界面电阻,电荷收集效率得到明显改善,光伏电池在100mW/cm2白光辐照下能量转换效率达到4.33%。关键词:聚合物太阳能电池,体异质结,形态结构,界面。jun体异质结有机太阳能电池性能提高的研究-光谱学与光谱分析2008,28(4制备了四种不同结构的有机太阳能电池器件,器件1

18、ITO/LiF/PEDOT:Pss/MEH-PPv/C60/Al、器件2 ITO/PEDOT:PSS/MEH-PPv/C60/Al、器件36.学位论文付莹莹基于一种窄带隙共轭聚合物的光伏电池的研究2009近年来,太阳能作为一种有效的化石燃料的替代能源得到了充分的利用。聚合物太阳能电池以其质量轻、柔性好、易于大面积加工、可溶液加工等优点受到了人们的广泛关注。目前聚合物太阳能电池的能量转换效率还比较低,不能达到大规模工业化生产的要求。因此,如何提高聚合物太阳能电池的能量转换效率成为该领域研究人员的重要挑战。本论文的工作以聚合物太阳能电池为研究对象,选择新型窄带隙共轭聚合物PCPDTBT为电子给体材

19、料、富勒烯衍生物PCBM为电子受体材料,制备了体异质结结构太阳能电池,并对器件性能进行了优化。主要工作及结果如下:(1 采用溶液加工的方法,以PCPDTBT:PCBM共混膜作为光敏活性层,制备了聚合物体异质结太阳能电池。通过使用窄带隙聚合物PCPDTBT,有效的解决了光敏层的吸收光谱与太阳光谱的匹配问题。对器件制备过程中各种影响器件性能的因素进行了分析,包括聚合物与PCBM的比例、光敏层的厚度以及聚合物PCPDTBT的分子量,确定了最佳的实验条件。并且分析了热退火过程对该体系的光敏层薄膜形态以及器件性能的影响,发现热退火对PCPDTBT:PCBM体系光伏电池性能没有明显改善。(2 采用添加成膜

20、添加剂的方法对PCPDTBT:PCBM体系的太阳能电池的光敏层薄膜形态进行控制。我们尝试了具有不同的物理性质和化学结构的试剂,从中选择了合适的成膜添加剂,并得到了作为成膜添加剂所必需的条件:(1沸点要高于主体溶剂,在成膜过程中,挥发速度要比主体溶剂慢;(2与主体溶剂相比,对PCBM的溶解性差。由此,我们选择了1,3-二甲基咪唑啉酮(简称DMI作为成膜添加剂。加入适量的DMI之后,增加了光敏层内部的微相分离,改善了电荷传输的路径,提高了电荷的收集效率,最终达到了提高器件性能的目的。我们分析了成膜添加剂的作用机理并提出了相应的机理模型。关键词:有机太阳能电池;体异质结;薄膜形态;相分离;成膜添加剂

21、7.学位论文唐健敏PIN结构有机太阳能电池的研究2009与传统的硅基和化合物太阳能电池相比,有机太阳能电池有许多很有潜力的优势。例如:制备简易、可大面积成膜。廉价尤其是有机太阳能电池的柔性,成为新一代太阳能电池的研究热点。在器件结构的发展过程中,经历了从单层膜结构到异质结结构再到多层器件结构的过程,其中体异质结结构太阳能电池的优势尤为引人注目。PIN结构有机太阳能电池继承了一般太阳能电池的优点,而它的光电转换效率却高于同类电池。PIN结构太阳能电池通过提高太阳光吸收效率,增加激子的分离效率,良好的载流子传输层输运能力以及电极修饰来提高太阳能电池器件的光电转换效率。本文制备了一种ITO/CuPc

22、/CuPc:C60/Alq3/Al结构的PIN有机太阳能电池,采用Cu-phthalocyanine(CuPc和fullerene(C60的共混层作为光激发层,采用CuPc和Alq3作为空穴传输层和电子传输层。利用真空蒸发镀膜法制备各层有机薄膜,并用紫外可见吸收光谱、原子力显微镜、荧光发射光谱以及I-V曲线来表征器件性能。1.研究了PN结构器件与PIN器件结构太阳能电池的性能比较,分析了I层作为吸收阳光和拆分激子的作用。2.研究了器件的光吸收层、电子传输层、空穴传输层的膜厚参数对光吸收情况、开路电压、短路电流密度和能量转换效率产生的影响。结果表明:当器件光吸收层、电子传输层、空穴传输层的厚度分

23、别为15nm、30nm、40nm时,器件的性能达到最优化。3.研究了器件的两种界面修饰:在薄膜蒸发之前用紫外光照射ITO玻璃;在Alq3与Al电极之间插入LiF。研究发现,由于LiF有减小Alq3与Al能级差的作用,对比未经修饰结构的PIN电池界面修饰的电池性能有明显的提升。4.最优化太阳能电池器件性能的各特征参数为Jsc=1.793mA·cm-2,Voc=0.65V,FF=0.49,=0.561%。8.学位论文张磊聚合物叠层太阳能电池2008叠层结构,就是用中间电极将两层有机太阳能电池串连起来。前后两层电池的有机功能层材料的禁带宽度不同,吸收不同波长的太阳光。当入射光按禁带宽度由大

24、到小的顺序依次通过太阳能电池时,叠层结构的输出电压是前后两层电池的叠加。因此,叠层有机太阳能电池结构使得吸收光谱拓宽了,有效地提高了有机太阳能电池的能量转换效率。叠层有机太阳能电池是目前有机太阳能电池的研究热点,它是提高有机太阳能电池的能量转换效率的有效手段之一。本论文首先通过MEH-PPV/C60的体异质结太阳能电池器件研究了有机膜厚对有机太阳能电池性能的影响,发现随着膜厚的增加,短路电流减小,这是因为载流子的扩散长度有限,膜厚的增加降低了载流子到达电极的几率,增加了载流子复合的儿率。因此通过改变膜厚来提高有机太阳能电池的性能是有限的。要实现叠层有机太阳能电池结构,中间层的选择是很关键的。本

25、论文选择了TiO2和PEDOT:PSS作为叠层器件的中间电极,因为他们比会属电极更容易制备。要将他们应用于叠层结构,关键问题是如何解决工艺问题,使得TiO2和PEDOT:PSS成膜性好,而且在制备的过程中又不会对原来的膜有破坏。因此我们做了大量的试验摸索实验条件。在解决工艺上的困难后,我们研究了TiO2的作用,得到如下结论:1.改善了有机膜的亲水性,使得PEDOT:PSS能够形成致密的膜。2.是前一层的电子传输层。前一层产生的电子和后一层产生的空穴在PEDOT:PSS和TiO2的界面复合。3.是后一层的空穴阻挡层,阻止了后一层产生的空穴进入前一层。4.打破了前一层有机层两边的对称结构,形成开路

26、电压。最后,在以上工作的基础上,我们制作了叠层器件,并对他们进行了初步研究。虽然叠层器件的开路电压小于两层器件开路电压之和,但比单层器件有所提高,因此可以看出这种叠层结构还是有一定效果的。9.学位论文邢宏伟有机太阳能电池的数值研究2008近年来,有机太阳能电池的研究已经成为一个热点,并取得长足的进展,逐渐应用在现实生活中,但进一步开发稳定性好、转换效率高、寿命长,成本低的有机太阳能电池是现阶段以及今后研究工作的主要目标。相比实验研究取得的巨大成就,人们对有机太阳能电池工作的物理机理的掌握尚显不足,这严重制约了有机太阳能性能的提高。由于有机太阳能电池内部工作机理不同于无机太阳能电池,所以建立一套适用于有机太阳能电池工作机制理论模型非常的重要。基于此,本论文作了如下工作:1.简单有机太阳能电池即在电极/有机层/电极,虽然其转化效率低,现阶段对其研究较少。但是其能较好的描述出有机太阳能电池的基本工作原理,其他结构都是在这个结构上拓展而来的。把Koster等人的模型扩展应用于一般的单层机太阳能电池上,考虑了迁移率随电场和温度的变化。通过计算和分析,可以看出电子和空穴迁移率单独的增强能提高短路电流,但会对开路电压有轻微影响,保证电子迁移率和空穴迁移率相等并同步增大它们