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石墨烯杂化材料在聚合物太阳能电池中的应用研究

作 者: 郑巧
导 师: 方国家
学 校: 武汉大学
专 业: 凝聚态物理
关键词: 石墨烯 金属氧化物 窄带隙聚合物 太阳能电池 界面修饰
分类号: TM914.4
类 型: 博士论文
年 份: 2013年
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内容摘要


本论文首先研究了热退火对基于一种新型窄带隙聚合物作为有机太阳能电池给体材料时器件的光电性能的影响;然后重点介绍了三种石墨烯杂化材料的制备、性能表征和它们在聚合物太阳能电池中的应用;最后介绍了如何利用液晶小分子提高聚合物太阳能电池能量转换效率方面的工作。具体内容如下:1.窄带隙聚合物作为给体材料的工作一种新型的窄带隙聚合物:环戊烯并二噻吩/噻吩酰亚胺(简称P1)取代光敏层中常见的聚3-己基噻吩(P3HT)作为聚合物太阳能电池的电子给体材料,研究热退火对P1:PCBM (C60的衍生物)混合薄膜的影响,重点探讨了基于P1:PCBM为光敏层的电池器件在不同温度退火后电池的光电性能。研究表明不经过热退火处理的电池性能最优,能量转换效率(PCE)为2.01%,Jsc,Voc和FF分别是5.97mA/cm2,0.86V和39%。利用单载流子器件测量载流子的迁移率后发现,电池经过退火后,虽然电子和空穴的迁移率都上升,但是由于电子和空穴迁移率之间的不平衡性被进一步扩大,产生空间电荷区,所以退火之后虽然吸光强度增大但仍然导致短路电流下降。从电池的能带结构分析发现,由于给体材料P1的HOMO与PCBM的LUMO之间的能量差为1.3eV,所以电池能够得到0.86V的高开路电压。2.石墨烯杂化物作为受体材料的工作用简单的水热法制备了石墨烯/氧化锌的杂化材料(简称G-ZnO),对G-ZnO材料的形貌、成分组成、晶体结构、光、电学性质做了系统表征,并将其作为电子受体材料制备了聚合物太阳能电池。重点研究了电池性能与光敏层中G-ZnO含量的关系。随着光敏层中G-ZnO含量的增加,电池的PCE先增加后降低。当G-ZnO占光敏层总质量(G-ZnO的质量加上P3HT的质量)的15%时,P3HT的晶粒大小为16.6nm左右,满足激子扩散和分离的条件,电子迁移率达到1.32×10-5cm2V-1s-1,同时电池的串联电阻Rs也达到最小值,此时电池的PCE为0.98%,V。c为0.81V,Jsc为4.92mA/cm2。3.石墨烯杂化物作为空穴传输层的工作利用水热法制备了一种氧化石墨烯的衍生物——钼离子修饰的氧化石墨烯(GO-Mo),并对GO-Mo薄膜的成分、形貌、晶体结构、表面化学态、霍尔迁移特性做了系统表征。GO-Mo薄膜具有良好的透光性,在波长为400-800nm范围内透光率超过90%。Hall测试结果表明其为P型半导体,载流子浓度为~1013cm-3, GO-Mo薄膜的载流子迁移率达到10.8cm2V-1s-1。制备了GO-Mo作为空穴传输层(简称HTL)的聚合物太阳能电池,PCE能达到2.61%,Jsc,Voc和FF分别为9.02mA/cm2、0.59V和49%,与传统的PEDOT:PSS为HTL时的PCE相当。最后还研究了不同层数的GO-Mo薄膜对电池性能的影响,由于3层的GO-Mo薄膜能够形成连续的电荷传输通道,所以此时电池的PCE最大。4.石墨烯杂化物作为阳极的工作通过水热法制备了石墨烯(简称G)和ATO (SnO2:Sb)纳米颗粒的复合物ATO/Go讨论了退火温度和退火环境对ATO/G薄膜的透光性和导电性的影响,并用ATO/G薄膜取代ITO作为电池的阳极制备了聚合物太阳能电池。ATO/G薄膜具有良好的光学透光性,在300-800nm范围内的透光率超过了90%,但是方块电阻在兆欧以上,通过牺牲薄膜透光率的方式能够降低了薄膜的方块电阻。当ATO/G薄膜在热退火后,方块电阻有一定程度的下降,并且发现在空气中的退火效果要比在Ar气中的退火效果好。为了进一步降低薄膜的方块电阻,用磁控溅射的方法在ATO/G薄膜的表面镀上10nm厚的Au,最后利用ATO/G/Au薄膜作为阳极,制备了结构为ATO/G/Au/MoO3/P3HT:PCBM/Al的聚合物太阳能电池,PCE达到1.85%。5.利用液晶小分子修饰界面提高电池光电转换效率的工作为了提高电池的PCE,把一种盘状的液晶小分子材料——六丁氧苯并菲(简称HAT4)插入空穴传输层和光敏层之间,其中空穴传输层采用了三种不同的材料。当HTL为PEDOT:PSS时,PCE提高43%;当HTL为M003时,PCE提高43%;当HTL为NiO时,PCE提高35%。讨论了利用HAT4使电池PCE提高的微观物理机制,当电池经过150℃退火后,HAT4会形成有序的六角柱状相,柱内分子电子云的相互交叠形成了一个准一维的电荷传输通道,电荷沿着柱的轴线方向传递,有效地提高了电池中载流子的迁移率从而使Jsc上升,同时研究发现HAT4薄膜的厚度对器件的PCE也有着重要的影响。

全文目录


摘要  10-12
Abstract  12-15
第1章 绪论  15-32
  1.1 聚合物太阳能电池的研究背景  15-18
    1.1.1 引言  15-16
    1.1.2 太阳能电池的分类  16-17
    1.1.3 聚合物太阳能电池的优势  17-18
  1.2 聚合物太阳能电池简介  18-28
    1.2.1 聚合物太阳能电池的基本结构  18-20
    1.2.2 聚合物太阳能电池的工作原理  20-21
    1.2.3 聚合物太阳能电池的性能参数  21-22
    1.2.4 聚合物太阳能电池的等效电路图  22-24
    1.2.5 体异质结聚合物太阳能电池中的典型材料  24-28
  1.3 聚合物太阳能电池的研究进展  28-29
  1.4 制约聚合物太阳能电池能量转换效率的因素  29-30
  1.5 本论文的研究内容和意义  30-32
第2章 PCPDTTPD:PCBM为光敏层的太阳能电池的热退火研究  32-45
  2.1 引言  32-33
  2.2 窄带隙聚合物环戊烯并二噻吩/噻吩酰亚胺简介  33
  2.3 热退火对P1:PCBM混合薄膜的影响  33-37
    2.3.1 P1:PCBM混合薄膜的制备过程  33
    2.3.2 P1:PCBM混合薄膜的测试方法  33-34
    2.3.3 不同温度退火后P1:PCBM混合薄膜的形貌  34-35
    2.3.4 不同温度退火后P1:PCBM混合薄膜的结晶度  35-36
    2.3.5 不同温度退火后P1:PCBM混合薄膜的吸收光谱  36-37
  2.4 P1:PCBM为光敏层的有机太阳能电池  37-41
    2.4.1 电池结构  37
    2.4.2 电池的制备过程  37-38
    2.4.3 电池的测试方法  38
    2.4.4 电池的光电特性  38-40
    2.4.5 电池的能级结构  40
    2.4.6 电池在暗场下的伏安曲线  40-41
  2.5 单载流子器件测量载流子迁移率  41-43
    2.5.1 单载流子器件的原理  41-42
    2.5.2 单载流子器件的制备及测试  42
    2.5.3 电子和空穴迁移率测试结果  42-43
  2.6 本章小结  43-45
第3章 石墨烯/氧化锌杂化材料为电子受体的聚合物太阳能电池  45-63
  3.1 引言  45-46
  3.2 石墨烯-氧化锌的制备  46-47
  3.3 G-ZnO的表征手段  47-48
  3.4 G-ZnO测试结果分析  48-52
    3.4.1 G-ZnO的Raman光谱  48-49
    3.4.2 G-ZnO的EDS分析  49
    3.4.3 G-ZnO的DTA-TG分析  49-50
    3.4.5 G-ZnO的XRD分析  50-51
    3.4.6 G-ZnO的SEM形貌分析  51
    3.4.7 G-ZnO的TEM和HRTEM分析  51-52
  3.5 G-ZnO为电子受体的聚合物太阳能电池  52-62
    3.5.1 电池器件的结构  52-53
    3.5.2 P3HT:G-ZnO混合薄膜的荧光淬灭现象  53
    3.5.3 电池的能带结构分析  53-54
    3.5.4 电池的制备过程  54-55
    3.5.5 电池的各项性能测试方法  55-56
    3.5.6 G-ZnO对电池在暗场下伏安特性的影响  56
    3.5.7 G-ZnO对电池在光照下伏安特性的影响  56-58
    3.5.8 G-ZnO对光敏层吸光性能的影响  58-59
    3.5.9 G-ZnO对光敏层的形貌影响  59-60
    3.5.10 G-ZnO对光敏层结晶程度的影响  60-61
    3.5.11 G-ZnO对电池中电子迁移率的影响  61
    3.5.12 G-ZnO对电池串联电阻的影响  61-62
  3.6 本章小结  62-63
第4章 钼离子修饰的氧化石墨烯为空穴传输层的聚合物太阳能电池  63-77
  4.1 引言  63-64
  4.2 GO-Mo的制备  64
  4.3 GO-Mo的测试手段  64-65
  4.4 GO-Mo测试结果分析  65-68
    4.4.1 GO-Mo的拉曼光谱  65
    4.4.2 GO-Mo的TEM和SAED  65-66
    4.4.3 GO-Mo的EDS mapping  66-67
    4.4.4 GO-Mo的透光率  67
    4.4.5 GO-Mo的Hall特性  67-68
  4.5 GO-Mo为HTL的聚合物太阳电池  68-75
    4.5.1 电池的结构  68-69
    4.5.2 电池的制备  69-70
    4.5.3 电池的各项性能测试方法  70
    4.5.4 GO-Mo为HTL的电池的伏安特性  70-72
    4.5.5 GO-Mo的XPS  72-74
    4.5.6 多层GO-Mo薄膜的表面形貌  74
    4.5.7 多层GO-Mo薄膜的对电池性能的影响  74-75
  4.6 本章小结  75-77
第5章 ATO/石墨烯复合材料为阳极的聚合物太阳能电池  77-88
  5.1 引言  77
  5.2 ATO/G的制备  77-78
  5.3 ATO/G的测试方法  78-79
  5.4 ATO/G测试结果分析  79-85
    5.4.1 ATO/G的TEM和SAED  79
    5.4.2 ATO/G的XRD  79-80
    5.4.3 ATO/G的EDS  80
    5.4.4 ATO/G的SEM  80-81
    5.4.5 ATO/G的AFM  81-82
    5.4.6 ATO/G薄膜的透光性能  82
    5.4.7 ATO/G的透光率和方块电阻的关系  82-83
    5.4.8 退火温度ATO/G的方块电阻影响  83
    5.4.9 退火气氛对ATO/G方块电阻的影响  83-84
    5.4.10 利用Au降低ATO/G薄膜的方块电阻  84-85
  5.5 ATO/G为阳极的聚合物太阳能电池  85-86
    5.5.1 器件结构图及制备过程  85-86
    5.5.2 电池的伏安特性  86
  5.6 本章小节  86-88
第6章 HAT4为界面修饰层的聚合物太阳能电池  88-99
  6.1 引言  88-89
  6.2 六丁氧苯并菲(HAT4)介绍  89
  6.3 HAT4作为修饰层的聚合物太阳能电池  89-97
    6.3.1 电池的制备过程  89-90
    6.3.2 电池的表征方法  90-91
    6.3.3 HAT4作为修饰层的太阳能电池截面形貌  91
    6.3.4 HAT4作为修饰层的电池伏安特性分析  91-93
    6.3.5 HAT4作为修饰层的电池中载流子的迁移率  93-94
    6.3.6 不同厚度的HAT4薄膜对电池伏安特性的影响  94-95
    6.3.7 不同厚度的HAT4薄膜对载流子迁移率的影响  95-96
    6.3.8 退火对HAT4表面形貌的影响  96-97
    6.3.9 电池中载流子的传输机理探讨  97
  6.4 本章小结  97-99
第7章 结论与展望  99-104
  7.1 本论文的主要结论  99-103
  7.2 展望  103-104
中外文参考文献  104-117
硕博期间发表论文及申请专利  117-119
致谢  119

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术(直接发电) > 光电池 > 太阳能电池
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