基于可溶液处理的V_2O_5空穴传输层的聚合物太阳能电池研究

【摘要】：随着人类社会的不断进步，我们对于各种能源的需要越发明显，能源危机开始出现，而太阳能作为一种取之不尽用之不竭的清洁的可再生能源，日益受到人们的关注。作为利用太阳能的一种有效手段，近年来有机太阳能电池逐渐成为了研究人员研究的热点。在研究的过程中，体异质结太阳能电池的出现大大改善了有机光伏电池的性能，而电子传输层和空穴传输层的引入又使得其性能有了更大的提升。 传统的空穴传输层材料通常通过真空热蒸镀的方法，蒸镀诸如WO3，NiO, V2O5和MoO3等过渡金属氧化物的方式制备。由于真空热蒸镀的方法需要抽真空等流程会消耗大量的能源，因而近些年来采用可溶液处理的过渡金属氧化物作为有机电池的空穴传输层材料的报道逐渐增多。 V2O5作为一种廉价的过渡金属氧化物，在很多领域都有着成熟的应用，但目前很少应用到有机太阳能电池器件中。在本论文中，我们首先根据实验室的条件，通过水热法合成了可溶液处理的V2O5材料，并将其溶解在异丙醇溶液中。我们将V2O5溶液旋涂在ITO基片上，经退火处理后可形成完整的V2O5薄膜。 随后，我们将可溶液处理的V2O5作为器件的空穴传输层用于有机聚合物太阳能电池中，制作了ITO/TiO2/P3HT:PCBM/V2O5/Ag结构的器件，并尝试研究不同的V2O5浓度和不同的V2O5退火温度对此结构体异质结光伏电池的影响。本论文中的V2O5，将通过旋涂成膜的方式旋涂到有源层P3HT:PCBM的表面，经退火处理后作为有机太阳能电池的空穴传输层。这种制备方法制备的光伏器件，省去了蒸镀空穴传输层的工艺流程，简化了工艺，节约了能源，并且制备成本大大降低。通过实验证明，此结构的光伏电池器件，当V2O5退火温度为80℃，溶液浓度为300μ g/ml时，所制备的器件的性能最好，其中器件的短路电流密度Jsc约为8.13mA/cm2,开路电压V oc达到了0.56V，填充因子FF约为0.53，能量转换效率PCE最高达到了2.43%。 最后，我们还研究了不同的阴极衬底材料对器件性能的影响，在这里我们选用了FTO作为器件的衬底材料，制作了结构为FTO/TiO2/P3HT:PCBM/V2O5/Ag的器件。通过实验证明，此结构的光伏电池器件，当V2O5退火温度为80℃，溶液浓度为300μ g/ml时，所制备的器件的性能最好，能量转换效率PCE达到了2.38%。无论是选用ITO还是FTO作为阴极衬底材料，V2O5溶液的最佳浓度均为300μ g/ml，且器件的性能基本相差不多，使用ITO为衬底材料的器件性能略好于使用FTO为衬底材料的器件。 最终我们得出结论：ITO衬底为最适合V2O5空穴传输层的阴极衬底材料，当V2O5浓度为300μ g/ml，退火温度为80℃时器件性能最佳，效率最高达到了2.43%。 【关键词】：可溶液处理 V2O5 太阳能电池 聚合物 退火温度
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-29
• 1.1 引言10-11
• 1.2 太阳能11-12
• 1.3 太阳能电池的分类12-16
• 1.3.1 硅太阳能电池12-13
• 1.3.2 无机化合物太阳能电池13-14
• 1.3.3 染料敏化太阳能电池14-15
• 1.3.4 有机太阳能电池15-16
• 1.4 有机聚合物太阳能电池16-25
• 1.4.1 有机聚合物太阳能电池的发展与现状16-23
• 1.4.2 有机聚合物太阳能电池的工作原理23-25
• 1.5 有机太阳能电池的等效电路与重要参数25-27
• 1.5.1 有机太阳能电池的等效电路25-26
• 1.5.2 有机太阳能电池的重要参数26-27
• 1.6 本论文的主要研究内容27-29
• 第二章 电子传输层 TiO_2薄膜的制备29-34
• 2.1 TiO_2简介29-30
• 2.2 溶胶凝胶法制备 TiO_230-32
• 2.2.1 溶胶凝胶法制备 TiO_2的反应机制30-31
• 2.2.2 TiO_2溶胶凝胶的制备31
• 2.2.3 TiO_2薄膜的制备31-32
• 2.3 TiO_2薄膜的表征32-34
• 2.3.1 X 射线衍射（XRD）方法32-33
• 2.3.2 TiO_2的 XRD 表征33-34
• 第三章 可溶液处理 V_2O_5的制备34-41
• 3.1 V_2O_5的简介34
• 3.2 V_2O_5的制备方法34-37
• 3.2.1 水热合成法34-35
• 3.2.2 溶胶凝胶法35-36
• 3.2.3 化学气相沉积（CVD）法36
• 3.2.4 磁控溅射法36-37
• 3.3 可溶液处理 V_2O_5的制备37-41
• 3.3.1 可溶液处理 V_2O_5的制备37-38
• 3.3.2 可溶液处理 V_2O_5的表征38-40
• 3.3.3 V_2O_5薄膜的制备40-41
• 第四章 可溶液处理 V2O5作为空穴传输层对聚合物太阳能电池的影响41-53
• 4.1 不同五氧化二钒浓度对光伏器件性能的影响41-45
• 4.1.1 器件的结构41-42
• 4.1.2 器件的能级分析42
• 4.1.3 器件的制备过程42-44
• 4.1.4 测试结果与讨论44-45
• 4.2 不同五氧化二钒退火温度对光伏器件性能的影响45-49
• 4.2.1 器件的结构与制备46
• 4.2.2 测试结果与讨论46-49
• 4.3 不同衬底材料对光伏器件性能的影响49-53
• 4.3.1 器件的结构49-50
• 4.3.2 器件的能级分析50
• 4.3.3 器件的制备过程50-51
• 4.3.4 测试结果与讨论51-53
• 第五章 总结53-55
• 参考文献55-60
• 致谢60-61
• 作者简介61

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