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掺杂对聚合物太阳能电池性能的影响及相关机理研究

作　者: 王梓轩
导　师: 张福俊
学　校: 北京交通大学
专　业: 光学
关键词: 聚合物太阳能电池掺杂磷光材料添加剂
分类号: TM914.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

摘要：随着化石能源的日益枯竭和世界范围内对清洁能源的需求不断增长,太阳能电池已经吸引了越来越多的关注。聚合物太阳能电池由于具有加工成本低,环境友好,相容于柔性基底和重量轻的特点,被认为是一种极具潜力的新能源技术。2013年,Liao等人制备的基于PTB7-th的聚合物太阳能电池效率达到了9.35%,刷新了目前公开报道的单结聚合物太阳能电池最高效率。提高聚合物太阳能电池效率的研究切入点包括高效率的给受体材料,有源层形貌控制,界面能级修饰和器件结构优化等。掺杂是一种相对简单而能有效提高聚合物太阳能电池性能的手段,它同时还能够保持电池低成本,容易大规模制备和相容于柔性基板的特点。本文主要研究了通过掺杂提高聚合物太阳能电池性能的两种方法及其相关物理机理。磷光材料是一类发光衰减缓慢的材料,一般是各种重金属配合物或是稀土金属配合物。磷光材料的发光过程中起作用的主要是寿命长的三线态激子。在聚合物太阳能电池中引入三线态激子,可以利用其特点,提高激子解离几率。我们在相同条件下制备了一系列基于P3HT:PCBM或P3HT:PCBM:Ir(btpy)3共混有源层的聚合物太阳能电池器件,研究了磷光材料Ir(btpy)3掺杂浓度和退火温度对性能的影响。掺入Ir(btpy)3后,有源层的吸收特性得到了改善,对薄膜光致发光光谱的研究表明在P3HT与Ir(btpy)3间有能量传递发生。在不进行退火处理的情况下,在有源层中掺入Ir(btpy)3的电池短路电流密度(Jsc)和开路电压(Voc)明显增大。这些现象可被归因为从Ir(btpy)3到P3HT分子间的能量传递。在低温退火条件下,掺杂Ir(btpy)3的器件性能有一定的提升,在高温退火时则器件性能明显下降。说明基于P3HT:PCBM掺杂Ir(btpy)3的聚合物太阳能电池不适宜采用高温退火工艺处理。溶剂添加剂能够有效提高基于多种体系的聚合物太阳能电池的性能,添加剂一般具有高沸点以及对给体或受体材料的高溶解性。为了研究DIO添加剂在聚合物太阳能电池中的作用机理,我们制备并比较了一系列以PBDTTT-C:PC71BM为有源层的器件。在掺入体积比为3%的DIO添加剂后,器件的Jsc从8.84mA/cm2增大到12.11mA/cm2,FF从44.5%增至63.1%。器件的PCE从2.95%提升至5.35%,增大的幅度达到了80%。模拟计算表明,掺杂添加剂能够改变光场的分布,可能达到优化有源层吸收的作用。对于器件光生电流、串并联电阻的分析说明电池性能的提高主要是由于掺杂DIO添加剂改进了有源层中的电荷载流子传输特性。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-7
ABSTRACT  7-9
序  9-12
1 引言  12-29
  1.1 聚合物太阳能电池简介  12-15
    1.1.1 聚合物太阳能电池的发展历程  12-13
    1.1.2 聚合物太阳能电池的工作原理与相关参数  13-15
  1.2 高效聚合物太阳能电池材料  15-19
    1.2.1 窄带隙聚合物太阳能电池给体材料  16-18
    1.2.2 新型聚合物太阳能电池受体材料  18-19
  1.3 调控分子排布提高器件性能  19-23
    1.3.1 退火处理  20-21
    1.3.2 溶剂添加剂  21-22
    1.3.3 外加电磁场调控分子生长过程  22-23
  1.4 优化器件结构方面的研究进展  23-28
    1.4.1 叠层结构聚合物太阳能电池  23-25
    1.4.2 光纤聚合物太阳能电池  25-26
    1.4.3 聚合物反型太阳能电池  26-28
  1.5 本文的选题依据  28-29
2 磷光材料掺杂对聚合物太阳能电池作用的研究  29-38
  2.1 掺杂磷光材料的依据  29-30
  2.2 器件制备  30-31
  2.3 实验结果与分析  31-37
    2.3.1 P3HT与Ir(btpy)_3混合薄膜中的能量传递  31-33
    2.3.2 掺杂Ir(btpy)_3对器件吸收的影响  33-34
    2.3.3 掺杂Ir(btpy)_3对P3HT发光寿命的影响  34-35
    2.3.4 掺杂提高聚合物太阳能电池的性能  35-37
  2.4 本章小结  37-38
3 添加剂提高聚合物太阳能电池性能的机理研究  38-46
  3.1 掺杂添加剂提高太阳能电池性能机理的报道  38-39
  3.2 器件制备  39-40
  3.3 实验结果与分析  40-45
    3.3.1 掺杂与未掺DIO添加剂器件性能的比较  40-41
    3.3.2 器件串并联电阻和填充因子的变化  41
    3.3.3 器件中激子产量和载流子传输特性的变化  41-44
    3.3.4 DIO对有源层薄膜和器件光学特性的影响  44-45
  3.4 本章小结  45-46
4 结论  46-47
参考文献  47-52
附录A  52-53
索引  53-54
作者简历  54-56
学位论文数据集  56

掺杂对聚合物太阳能电池性能的影响及相关机理研究

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