柔性有机太阳能电池的制备及性能

【摘要】：有机聚合物太阳能电池相对于传统的无机太阳能电池具有制备成本低廉、机械柔性好、重量轻等优点。目前有机太阳能电池在转换效率、电池的稳定性方面仍存在许多关键问题需要解决。柔性衬底代替刚性衬底给器件的制备带来了许多新的问题。例如,器件不经过退火处理制备得到的活性层的形貌很难满足载流子有效分离的要求；在刚性衬底上很容易实现的热处理、溶剂处理及后处理等提高器件性能的手段在柔性器件上并不适用。本文针对上述柔性器件制备中所存在的问题进行了有益的尝试,具体工作如下： 1.研究了以1,2,4-三氯苯(124-TCB)为溶剂的基于P3HT:PCBM体系本体异质结太阳能电池的性能。并与以邻二氯苯(OBCB)为溶剂的器件性能进行了对比。考察了添加剂1,3,5-三氯苯(135-TCB)对光伏器件的性能及稳定的影响。以邻二氯苯作为溶剂的器件的开路电压(Voc)为0.52V,短路电流密度(Jsc)为10.8mA/cm2,填充因子(FF)为35.4%,光电转换效率(PCE)为1.99%。以124-TCB为溶剂的器件在制备过程中活性层不需要热处理。在AM1.5G模拟太阳光强为100mW/cm2时,器件的Voc为0.53V,Jsc为7.02mA/cm2,FF为56.7%,PCE为2.11%。在此基础上进一步添加12mg/mL的135-TCB添加剂可以使得器件性能得以进一步提升。器件的Voc为0.60V,Jsc为9.07mA/cm2,FF为55.7%,PCE为3.03%。从加热老化衰减图中可以看出加入添加剂使得器件的稳定性也进一步得到增强。 2.研究了不同紫外线(UV)照射强度和处理时间对聚(3,4-乙撑二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)薄膜的影响。考察了其对P3HT:PCBM体系太阳能电池的性能和稳定性的影响。利用紫外-可见(UV-VIS)光谱、x-射线光电子能谱(xPS)、接触角、原子力显微镜(AFM)和开尔文探针(Kelvin Probe)对UV处理过的PEDOT:PSS薄膜进行了表征。结果表明：经过UV处理过的PEDOT:PSS薄膜可以明显提高器件的光电性能和稳定性。在功率密度为1200uW/cm2处理50分钟的条件下得到最佳的器件性能。与未处理的对比器件相比(Voc为0.57V,Jsc为9.25mA/cm2,FF为46.9%,PCE为2.43%),最佳器件性能达到Voc为0.59V,Jsc为12.3mA/cm2,FF为51%,PCE为3.64%,分别增加了33%,3.5%,8.7%和50%。器件的稳定性提高了2.5倍。器件的性能和稳定性的提高归因于通过UV处理去除PEDOT:PSS里面绝缘的PSS部分,增加薄膜的导电性。同时增加了PEDOT:PSS对于活性层的润湿性和功函数,改善了活性层形貌和器件长期的稳定性。通过UV处理来提高器件的性能和稳定性的方法简单易行,适合大规模商业化生产。 【关键词】：柔性 热处理 添加剂 PEDOT PSS 紫外处理 稳定性
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 研究背景与意义10-11
• 1.2 有机聚合物光伏电池的介绍11-19
• 1.2.1 有机聚合物光伏电池的基本结构11-14
• 1.2.2 有机太阳能电池的基本原理及其性能参数14-17
• 1.2.3 有机聚合物太阳能电池的材料17-19
• 1.3 光伏发电的历史和现状以及存在的问题19-20
• 1.4 本论文的主要工作20-22
• 第二章 柔性有机聚合物太阳能电池的制备及其稳定性的研究22-38
• 2.1 实验部分24-25
• 2.1.1 实验药品和原料24
• 2.1.2 制备仪器和设备24
• 2.1.3 制备工艺以及性能测试24-25
• 2.2 实验结果以及分析与讨论25-36
• 2.2.1 实验条件的摸索25-28
• 2.2.2 柔性有机聚合物光伏电池的J-V特征曲线28-30
• 2.2.3 柔性有机聚合物光伏电池的EQE曲线30-32
• 2.2.4 柔性有机聚合物光伏电池活性层的微观形貌结构的对比图32-33
• 2.2.5 柔性有机聚合物光伏电池稳定性的研究33-36
• 2.3 本章总结36-38
• 第三章 紫外线处理PEDOT：PSS薄膜对聚合物太阳能电池性能及稳定性的影响38-49
• 3.1 实验部分40-41
• 3.1.1 实验药品与源料40
• 3.1.2 制备仪器以及设备40
• 3.1.3 制备工艺以及性能测试40-41
• 3.2 实验结果以及分析与讨论41-48
• 3.2.1 PEDOT：PSS经过紫外线处理后的光学曲线特征41-42
• 3.2.2 不同强度和时间的紫外线处理后的器件的J-V曲线42-43
• 3.2.3 PEDOT：PSS经过不同强度和时间的紫外线处理后的器件的串并联电阻的计算及PEDOT：PSS功函数的分析43-44
• 3.2.4 PEDOT：PSS经过不同强度和时间的紫外线处理后表面的物理化学性质分析44-47
• 3.2.5 PEDOT：PSS经过不同强度和时间的紫外线处理后器件的稳定性分析47-48
• 3.3 本章小结48-49
• 第四章 全文论文总结与未来展望49-51
• 4.1 全文总结49-50
• 4.2 存在问题及下一步研究工作的建议50
• 4.3 未来展望50-51
• 参考文献51-55
• 发表论文和科研情况说明55-56
• 致谢56

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