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基于氧化石墨烯/P3HT有机太阳能电池研究

作　者: 赵宇
导　师: 何大伟
学　校: 北京交通大学
专　业: 光学工程
关键词: 氧化石墨烯 Hummers法 P3HT 有机大阳能电池
分类号: TM914.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

由于有机聚合物太阳能电池的转换效率较低,可以通过对不同活性材料的设计和选择方法的改进,使有机聚合物太阳能电池的性能上有所突破,缓解亟待解决的能源危机。氧化石墨烯材料是通过sp2杂化碳原子成键,具有蜂窝状的二维平面结构。当氧化石墨烯与高分子材料复合的时候,能够形成相当大的界面,提高激子的扩散速率和载流子的迁移率,并且不会造成电荷传输路径破坏而产生的二次聚集。因此,石墨烯是有机聚合物太阳能电池的受体材料的一个非常好的选择。本文的主要研究内容如下：1、采用Hummers法制备氧化石墨烯,使石墨烯的层数、尺寸和缺陷得到有效的控制。采用SEM、TEM、AFM、偏光显微镜和Raman光谱对其形貌进行了表征,XRD、FT-IR对其化学结构进行了分析。经过分析可以说明所制备的氧化石墨烯横向尺寸达到微米级,在厚度方向上可达到1nm左右,且其表面粗糙,制得的氧化石墨烯层数平均在1-3层；氧化石墨烯薄膜受热力学涨落影响明显,表面呈明显褶皱起伏状,具有大的比表面积。由于氧化石墨烯不溶于有机溶剂,我们采用异氰酸苯酯处理氧化石墨烯,使石墨氧化物片层减少亲水性,进而使其在有机溶剂可溶。2、将P3HT作为给体材料,以氧化石墨烯作为受体材料,制备了结构为ITO/ PEDOT:PSS/P3HT:SPFGraphene Oxide/LiF/Al的有机太阳能电池,以提高太阳能电池器件的效率,研究不同氧化石墨烯浓度与开路电压、短路电流和填充因子的关系。在常温下通过模拟光源对电池进行测试,当氧化石墨烯浓度为2.5%、5%、10%和15%时,器件光电转换效率分别是0.05%、0.06%、0.11%和0.1%,短路电流和开路电压的变化范围分别是0.42～0.68 mA/cm2和0.5～0.82 V。器件的开路电压、短路电流和光电转换效率呈现先增大,逐渐达到一个峰值,然后减小的趋势。3、通过研究氧化石墨烯的差重分析曲线,发现了退火温度与重量变化的关系,和退火温度对材料的影响。研究器件经过160℃,10min和160℃,20min的不同退火处理后对器件的I-V特性的影响。经过测试可以看出,电池的开路电压,短路电流以及效率得到了明显的提升,其中短路电流提升了一个数量级左右。掺杂浓度为10%的器件经过160℃,10min的退火处理对器件性能的提高最明显,器件的开路电压为0.92V,短路电流为4.1 mA/cm2,填充因子为0.32,效率达到最高值1.2%。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-11
第一章绪论  11-13
  1.1 引言  11
  1.2 本文的研究内容  11-13
第二章有机聚合物太阳能电池和石墨烯的基本理论  13-26
  2.1 有机聚合物太阳能电池概述  13-21
    2.1.1 引言  13-14
    2.1.2 有机聚合物太阳能电池发展现状  14-15
    2.1.3 有机聚合物太阳能电池的基本工作原理  15-18
    2.1.4 有机聚合物太阳能电池的优缺点  18
    2.1.5 不同结构有机聚合物太阳能电池  18-20
    2.1.6 有机聚合物太阳能电池材料的研究进展  20-21
  2.2 石墨烯的概述  21-26
    2.2.1 引言  21-23
    2.2.2 石墨烯的性质  23-24
    2.2.3 石墨烯在太阳能电池中的应用  24-26
第三章氧化石墨烯的制备及表征  26-40
  3.1 石墨烯的制备方法  26-29
    3.1.1 机械剥离法  26
    3.1.2 外延生长法  26-27
    3.1.3 碳化硅热解法  27
    3.1.4 氧化还原法  27-28
    3.1.5 碳纳米管切开法  28-29
  3.2 氧化石墨烯的制备  29-31
    3.2.1 实验原料与药品  29
    3.2.2 实验仪器  29-30
    3.2.3 氧化石墨烯的制备  30-31
    3.2.4 氧化石墨的异氰酸酯化  31
  3.3 结果与讨论  31-39
    3.3.1 氧化石墨烯的XRD分析  31-32
    3.3.2 氧化石墨烯的FT-IR分析  32-33
    3.3.3 氧化石墨烯的偏光显微镜分析  33-34
    3.3.4 氧化石墨烯的SEM分析  34-35
    3.3.5 氧化石墨烯的TEM分析  35-36
    3.3.6 氧化石墨烯的AFM分析  36-37
    3.3.7 氧化石墨烯的Raman分析  37-38
    3.3.8 苯基异氰酸酯处理氧化石墨烯结果分析  38-39
  3.4 本章小结  39-40
第四章氧化石墨烯/P3HT有机太阳能电池的制备及测试  40-57
  4.1 有机聚合物太阳能电池Ⅰ-Ⅴ特性和性能参数  40-42
    4.1.1 开路电压  40-41
    4.1.2 短路电流ISC  41
    4.1.3 填充因子FF  41-42
    4.1.4 有机太阳能电池的能量转换效率  42
  4.2 器件的制备和测试  42-44
    4.2.1 器件的结构  42-43
    4.2.2 实验仪器  43
    4.2.3 电池器件的制备  43-44
    4.2.4 器件的测试  44
  4.3 结果与讨论  44-55
    4.3.1 器件的光谱分析  44-47
    4.3.2 器件的光伏性质  47-49
    4.3.3 热处理对器件性质的影响  49-55
  4.4 本章小结  55-57
第五章结论  57-59
参考文献  59-63
作者简历  63-65
学位论文数据集  65

基于氧化石墨烯/P3HT有机太阳能电池研究

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