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有机光伏电池中新型供体材料及电池性能的研究

作　者: 尹斌
导　师: 印寿根
学　校: 天津理工大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 有机光伏电池 寡聚噻吩 PCBM PEDOT:PSS 石墨烯
分类号: TM914.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


体相异质结(BHJ)有机太阳能电池由于光电转换效率(PCE)较高、制备工艺简单、易于大面积制造等优点,成为获取太阳能源中一种很有竞争优势的新技术并受到了科技界的广泛关注。目前有机半导体材料存在载流子迁移率低以及电荷的分离/传输/收集等问题,导致有机光伏电池器件总体转换效率还不高。为此,本文开展了新型窄带隙高载流子迁移率的有机半导体材料用于有机光伏电池的研究,优化器件的制备工艺,获得了较高的光电转换效率。1.研究了基于寡聚噻吩衍生物DCN5T和(6,6)-phenyl C61 butyric acid methyl ester (PCBM)为活性层的体相异质结太阳能电池器件,其结构为ITO (～17Ωsq-1) / PEDOT: PSS (40 nm) / DCN5T:PCBM (110 nm) / LiF (1 nm) /Al (70 nm)。调控给体-受体质量比寻找到了最佳比例,当DCN5T与PCBM质量比为1:1.4的时候活性层的微观结构形成有效的供激子分离的给体-受体界面和供载流子传输的网络互渗通道,其PCE达到0.69%。同时我们制备了基于寡聚噻吩衍生物DCN3T、DCN5T、DCN7T分别和PCBM复合作为活性层的溶液处理体相异质结太阳能电池器件,各器件的光电转换效率随着给体共轭链的延长效率明显增加,说明噻吩链长度能起到对相应器件光电性能的调控作用。这类新型可溶性寡聚噻吩小分子用作有机体相异质结太阳能电池的研究为探索新型的有机光伏材料提供了新的思路。2.进一步深入研究了基于新型供体材料寡聚噻吩衍生物DCN7T和受体PCBM共混作为活性层的有机异质结太阳能电池。该寡聚噻吩以7个聚合度的噻吩环为主链,端基分别连有拉电子di-CN基团形成了分子内给体-受体(D-A)结构,这不仅增加了材料在可见光区域的吸收,同时也更有利于载流子在光伏器件中的传输。在这类异质结太阳能电池中,当给体DCN7T和受体PCBM质量比为1:1.4的时候在AM1.5G光强度为100mW/cm2的模拟太阳光光照情况下,光伏器件表现出最高的PCE 3.7%,开路电压Voc为0.88V,短路电流Jsc为12.4mA/cm2。该转换效率是溶液处理的小分子异质结太阳能电池中最高的转换效率之一。3.成功制备了石墨烯(Graphene)与PEDOT:PSS复合作为过渡层修饰有机异质结光伏电池,其器件结构ITO/PEDOT:PSS:Graphene/P3HT:PCBM/LiF/Al。通过提前热处理石墨烯250℃10分钟,再用超声的方法使其溶解于PEDOT:PSS形成电极的过渡层,其光伏器件光电转换效率为3.8%,短路电流Jsc为14.2mA/cm~2,开路电压Voc为0.62V,填充因子FF为0.43。加入石墨烯作为过渡层的光伏器件整体的光电转换效率是单独以PEDOT:PSS缓冲层的光伏器件性能的1.8倍。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-9
第一章 绪论  9-14
  1.1 引言  9-10
  1.2 有机小分子太阳能电池  10-11
  1.3 有机聚合物太阳能电池  11-12
  1.4 有机太阳能电池发展现状  12-13
  1.5 课题的提出  13-14
第二章 有机异质结太阳能电池器件原理、结构及参数  14-22
  2.1 引言  14-15
  2.2 有机太阳能电池原理和结构  15-19
    2.2.1 肖特基型有机太阳能电池  15-16
    2.2.2 双层膜有机太阳能电池  16-17
    2.2.3 体相异质结型有机太阳能电池  17-18
    2.2.4 叠层式有机太阳能电池  18-19
  2.3 有机太阳能电池参数  19-21
  2.4 本章小结  21-22
第三章 寡聚噻吩作为供体的有机光伏电池  22-37
  3.1 前言  22
  3.2 实验部分  22-30
    3.2.1 原料与药品  22-23
    3.2.2 仪器  23-24
    3.2.3 寡聚噻吩的合成及结构表征  24-29
    3.2.4 光伏电池的制备  29-30
  3.3 结果分析  30-35
    3.3.1 寡聚噻吩DCN3T、DCN5T、DCN7T 的光谱分析  30-31
    3.3.2 基于DCN5T/PCBM 的光伏性质  31-33
    3.3.3 基于DCN3T、DCN5T、DCN7T 和PCBM 器件的光伏性质  33-35
  3.4 本章小结  35-37
第四章 寡聚噻吩DCN7T 作为供体的有机光伏电池  37-49
  4.1 前言  37-38
  4.2 实验部分  38-40
    4.2.1 原料与药品  38-39
    4.2.2 仪器  39
    4.2.3 光伏电池的制备  39-40
    4.2.4 器件测试表征  40
  4.3 结果分析  40-47
    4.3.1 关于DCN7T、PCBM 能级匹配的分析  40-41
    4.3.2 DCN7T 热性能分析  41
    4.3.3 DCN7T/PCBM 的吸收光谱分析  41-43
    4.3.4 DCN7T/PCBM 的荧光光谱和荧光寿命衰减分析  43-44
    4.3.5 DCN7T/PCBM 的光伏性质  44-47
  4.4 本章小结  47-49
第五章 Graphene-PEDOT:PSS 作为缓冲层的有机光伏电池  49-58
  5.1 前言  49-52
    5.1.1 PEDOT:PSS 简介  50
    5.1.2 石墨烯（Graphene）简介  50-51
    5.1.3 问题的提出  51-52
  5.2 实验部分  52-54
    5.2.1 原料与药品  52-53
    5.2.2 仪器和测试  53
    5.2.3 光伏器件的制备与表征  53-54
  5.3 结果分析  54-57
  5.4 本章小结  57-58
第六章 全文总结与展望  58-60
  6.1 全文结论  58-59
  6.2 展望  59-60
参考文献  60-65
发表论文和科研情况说明  65-66
致谢  66-67

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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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