基于氧化石墨烯/聚合物光伏特性的研究

【摘要】：目前有机聚合物太阳能电池的光电转换效率较低,国际科研人员的科研重点集中在如何通过聚合物与无机材料复合来提高器件的光伏性能。石墨烯具有最高的载流子迁移率和最大的比表面积,能够很好的和聚合物材料形成接触。MEH-PPV和P3HT是聚合物光伏材料中非常成熟的两种,本文重点研究氧化石墨烯与这两种聚合物材料复合器件的光伏机理和性质,主要研究内容如下： 1.以Hummers法为基础制备了氧化石墨烯,用异氰酸本质对氧化石墨烯进行还原处理,得到还原后的氧化石墨烯。通过XRD、FTIR、SEM、TEM和Raman光谱等表征手段对产物进行了表征,通过四探针测量仪对产物进行了测试。制备出了达到实验要求的氧化石墨烯,经过还原处理的氧化石墨烯的电导率有了很大的提高,呈现出由氧化石墨向石墨的变化。 2.我们采用在聚合物中掺杂经过还原的氧化石墨烯,制备了结构为ITO/聚合物-氧化石墨烯/Al的光伏器件,研究了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。通过光致发光和器件的I-V曲线,得出结论氧化石墨烯起到了电子受体的作用,防止了自由电子空穴的耦合,氧化石墨烯的量子隧穿效应可以提高器件的载流子迁移率,增大短路电流和填充因子。 3.我们提出了结构为ITO/聚合物-氧化石墨烯-多壁碳纳米管/Al的器件,研究了不同氧化石墨烯浓度和不同多壁碳纳米管浓度对器件短路电流和填充因子的影响。我们认为氧化石墨烯作为电子受体可以改善电子传导,多壁碳纳米管可以起到传导空穴的作用。在相同氧化石墨烯浓度的情况下,P3HT为主体材料的器件光电转换效率比以MEH-PPV为主体材料的器件光电转换效率更高,P3HT的最高效率也要比MEH-PPV的最高效率高。 4.我们提出了结构为ITO/P3HT:PCBM氧化石墨烯/Al的器件,进一步研究了不同氧化石墨烯浓度与器件短路电流和填充因子的关系。表明氧化石墨烯可以起到链接小分子PCBM的作用,形成电子的三维空间传输网络,提高载流子迁移率的作用。 【关键词】：氧化石墨烯 P3HT:PCBM 多壁碳纳米管 聚合物-无机材料光伏器件
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TB383.2
【目录】：

• 致谢5-6
• 中文摘要6-7
• ABSTRACT7-9
• 序9-14
• 1 引言14-34
• 1.1 太阳能电池的重要性14
• 1.2 光伏器件的发展简史和分类14-18
• 1.2.1 无机太阳能电池的发展简史和分类14-16
• 1.2.2 有机太阳能电池的发展简史和分类16-18
• 1.3 聚合物太阳电池的理论基础18-19
• 1.4 聚合物太阳电池的测试19-20
• 1.5 聚合物太阳能电池的结构20-22
• 1.6 有机/聚合物光伏器件的材料22-26
• 1.6.1 电极材料23
• 1.6.2 聚合物光伏器件的激活层材料23-25
• 1.6.3 无机/聚合物复合薄膜25-26
• 1.7 聚合物太阳电池的主要问题和解决方案26-27
• 1.8 石墨烯材料的特点和制备方法27-30
• 1.8.1 石墨烯的特点27-29
• 1.8.2 石墨烯的制备方法29-30
• 1.9 本论文的选题依据和创新点30-34
• 1.9.1 本论文的选题依据30-31
• 1.9.2 本论文的创新点31-34
• 2 氧化石墨烯的制备及表征34-46
• 2.1 引言34
• 2.2 实验部分34-37
• 2.2.1 主要试剂与仪器34-35
• 2.2.2 氧化石墨烯的制备35-36
• 2.2.3 氧化石墨制备过程的分析36-37
• 2.3 氧化石墨烯的表征与分析37-41
• 2.3.1 氧化石墨烯的XRD分析37-38
• 2.3.2 氧化石墨烯的FT-IR分析38-39
• 2.3.3 氧化石墨烯的SEM分析39
• 2.3.4 氧化石墨烯的TEM分析39-40
• 2.3.5 氧化石墨烯的AFM分析40
• 2.3.6 氧化石墨烯的Raman分析40-41
• 2.4 石墨烯的制备及表征41-45
• 2.4.1 引言41-42
• 2.4.2 实验部分42-43
• 2.4.3 异氰酸本质还原氧化石墨烯和测试43-45
• 2.5 本章小结45-46
• 3 氧化石墨烯与聚合物相复合光伏器件的研究46-66
• 3.1 聚合物MEH-PPV:SPFGraphene有机电致发光器件的研究46-50
• 3.1.1 有机电致发光器件的制备和测试48-50
• 3.2 聚合物MEH-PPV:SPFGraphene光伏器件的的研究50-59
• 3.2.1 MEH-PPV:SPFGraphene光伏器件的制备和测试50-51
• 3.2.2 MEH-PPV:SPFGraphene光伏器件的研究51-59
• 3.3 聚合物P3HT:SPFGraphene光伏器件的研究59-65
• 3.3.1 聚合物P3HT:SPFGraphene器件的制备和测试59-60
• 3.3.2 聚合物P3HT:SPFGraphene器件的研究60-65
• 3.4 本章小结65-66
• 4 氧化石墨烯-多壁碳纳米管与聚合物光伏器件的研究66-80
• 4.1 可溶性多壁碳纳米管的制备(fMWCNTs)66-67
• 4.2 聚合物MEH-PPV:SPFGraphene-fMWCNTs光伏器件的研究67-72
• 4.2.1 MEH-PPV:SPFGraphene-fMWCNTs复合薄膜的吸收光谱69-70
• 4.2.2 MEH-PPV:SPFGraphene-fMWCNTs光伏器件的研究70-72
• 4.3 聚合物P3HT:SPFGraphene-fMWCNTs光伏器件的研究72-79
• 4.3.1 P3HT:SPFGraphene-fMWCNTs复合薄膜的吸收光谱74-75
• 4.3.2 P3HT:SPFGraphene-fMWCNTs光伏器件的研究75-79
• 4.4 本章小结79-80
• 5 氧化石墨烯与P3HT-PCBM光伏器件的研究80-88
• 5.1 P3HT:PCBM-SPFGraphene复合薄膜的吸收光谱特性80-81
• 5.2 P3HT:PCBM-SPFGraphene光伏器件的研究81-85
• 5.3 本章小结85-88
• 6 结论88-90
• 参考文献90-102
• 作者简历102-106
• 学位论文数据集106

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