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活性层形貌添加剂对聚(3-己基噻吩)太阳能电池性能的影响及其机理研究

关注热度:200   来源:新能源学术论文  作者:肖曼军
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【摘要】:随着地球上化石能源的逐渐耗尽和现代生产生活中对洁净可再生能源的需求不断增长,开发清洁高效的新能源技术已经迫在眉睫。聚合物光伏电池由于具有质轻、柔性、易于大面积制备、加工制造成本低以及环境友好等众多突出优点而备受研究者关注。基于以噻吩为给体单元,双氟取代苯并噻二唑为受体单元的D-A型共轭聚合物PFFBT4T-2OD光伏器件效率达到了10.8%,但是其离商品化生产仍具有一定的差距。目前,提高聚合物光伏器件效率的方式主要有:设计具有高效率的聚合物活性层材料,控制光活性层薄膜形貌,应用合适的阴阳极缓冲层以及开发新的器件结构等。其中在溶剂中加入添加剂来控制光活性层形貌是一种比较简单的提高聚合物光伏器件性能的手段。在本论文中,我们主要研究了三种不同的苯的衍生物作为溶剂添加剂对聚合物光伏器件性能的影响及其相关机理。通过改变添加剂苯环上的官能团的种类,逐步提高器件性能,主要研究内容及结论如下:1.乙酸苄酯(BA)添加剂。BA是一种不含卤族元素和硫元素的新型有机添加剂,我们分别以聚噻吩(P3HT)和富勒烯衍生物PC61BM为给受体材料,氯苯为溶剂,通过在给受体共混溶液中添加不同体积比(1.0%,2.0%,3.0%)的BA研究了BA的体积浓度对器件性能的影响。研究表明:当体积比为2.0%时在不做任何热处理的条件下,器件得到了高达3.85%的效率。通过汉森溶解度参数(HSP),UV-vis,XRD,AFM,电流特性曲线等方法,我们分析了添加剂BA对器件性能影响的内在原因。2.1,2,4-三氯苯(TCB)添加剂。以P3HT和PC61BM(1:1)为光活性层材料,调节TCB的体积比,从0%、1%、2%、3%到4%,研究了TCB的添加浓度对器件性能的影响,研究表明:当加入TCB时,P3HT:PC61BM基的聚合物光伏器件的性能得到了显著地改善。且随着TCB含量的增加,器件效率先增后减,在TCB含量为3.0%时,器件获得了4.17%的效率。当将其进一步进行退火处理,器件效率提升到4.74%,其填充因子高达0.74,这是目前报道的基于P3HT:PC61BM器件的最高填充因子。3.苯甲酸乙酯(EB)添加剂。以P3HT和PC61BM(1:1)为光活性层材料,调节EB的体积比,从0%、1%、2%到3%,研究了EB的添加浓度对器件性能的影响及其影响机理,研究表明:通过进一步的优化处理能够使器件性能得到极大提升。PC61BM为受体,2%EB添加比例下器件性能达到最佳,获得了4.27%的转化效率。改变受体为PC71BM后,其效率高达4.56%,将其进一步进行退火处理,器件效率可达5.26%,填充因子达到0.72。这一效率也是目前P3HT:PCBM体系的最高效率之一。
【关键词】:聚合物太阳能电池 溶剂添加剂 乙酸苄酯 三氯苯 苯甲酸乙酯
【学位授予单位】:湘潭大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TM914.4
【目录】:
  • 摘要4-6
  • Abstract6-10
  • 第1章 绪论10-26
  • 1.1 引言10
  • 1.2 聚合物太阳能电池的重要研究历程10-12
  • 1.3 聚合物太阳能电池的工作原理12-15
  • 1.4 聚合物太阳能电池的器件结构15-17
  • 1.4.1 单层器件结构16
  • 1.4.2 双层异质结器件结构16-17
  • 1.4.3 体异质结器件结构17
  • 1.4.4 叠层器件结构17
  • 1.5 聚合物太阳能电池活性层形貌的影响因素17-25
  • 1.5.1 内在因素18-19
  • 1.5.2 外在因素19-25
  • 1.6 本论文的设计思想与研究内容25-26
  • 第2章 聚合物太阳能电池的制备与表征26-34
  • 2.1 引言26
  • 2.2 电池器件制备系统26-28
  • 2.3 电池性能测试系统与相关的器件性能参数28-32
  • 2.3.1 聚合物太阳能电池等效电路29-30
  • 2.3.2 聚合物太阳能电池J-V特征曲线30-32
  • 2.3.3 载流子迁移率的测试32
  • 2.4 本文主要采用的薄膜表征技术32-34
  • 第3章 新型添加剂乙酸苄酯对P3HT聚合物太阳能电池性能的影响34-43
  • 3.1 引言34
  • 3.2 实验过程34-35
  • 3.3 实验结果分析35-42
  • 3.3.1 汉森溶解度参数(HSP)分析35-36
  • 3.3.2 器件J-V曲线测试36-37
  • 3.3.3 器件的外量子效率分析37-38
  • 3.3.4 活性层的吸收光谱38
  • 3.3.5 活性层XRD分析38-39
  • 3.3.6 活性层形貌分析39-40
  • 3.3.7 器件的迁移率分析40-42
  • 3.4 小结42-43
  • 第4章 溶剂添加剂 1,2,4-三氯苯对P3HT聚合物太阳能电池性能的影响43-52
  • 4.1 引言43-44
  • 4.2 实验过程44-45
  • 4.3 实验结果分析45-51
  • 4.3.1 汉森溶解度参数(HSP)分析45-46
  • 4.3.2 器件J-V特性分析46-47
  • 4.3.3 活性层的吸收光谱47-48
  • 4.3.4 活性层XRD分析48-49
  • 4.3.5 活性层形貌分析49-50
  • 4.3.6 器件的外量子效率分析50
  • 4.3.7 器件的迁移率分析50-51
  • 4.4 小结51-52
  • 第5章 新型添加剂苯甲酸乙酯对P3HT聚合物太阳能电池性能的影响52-60
  • 5.1 引言52
  • 5.2 实验过程52-53
  • 5.3 实验结果分析53-59
  • 5.3.1 器件J-V特性分析53-54
  • 5.3.2 活性层形貌分析54-55
  • 5.3.3 活性层的透射电镜分析55-57
  • 5.3.4 各器件的外量子效率分析57
  • 5.3.5 活性层的吸收光谱57-58
  • 5.3.6 各器件的GIXD分析58-59
  • 5.4 小结59-60
  • 总结与展望60-63
  • 参考文献63-71
  • 致谢71-72
  • 在学期间发表的学术论文72-73


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关键词: 聚合物太阳能电池

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