有机光伏太阳能电池中电子收集层的研究

【摘要】：将太阳能直接转换成电能的光伏技术是一种很有前途的能源危机解决方案。目前的研究集中于寻找一种低成本高效率的太阳能电池。而有机半导体由于低温制备工艺、质量轻、可柔性制备和廉价的太阳能等众多优势显示了巨大的希望。制备高效的有机光伏太阳能电池需要系统的考虑三个关键部分：材料的设计、形貌的控制和界面修饰。本论文首先介绍了太阳能电池的发展前景，其次给出了有机光伏太阳能电池的基本原理以及研究进展，接着围绕基于P3HT:PCBM体系的有机光伏太阳能电池的阴极修饰层的研究来改善载流子的传输和分离，从而提高器件的能量转换效率。具体内容如下： 1.研究了n型掺杂有机小分子阴极修饰层的高效倒置有机光伏太阳能电池，此小分子阴极修饰层是由Cs2CO3:Alq3组成。通过优化Cs2CO3:Alq3层的掺杂浓度和厚度，可获得最高4.83%能量转换效率。通过光电子能谱和电学测试，发现Cs2CO3掺杂可诱导ITO/Cs2CO3:Alq3/PCBM界面处适当的能级对齐，并增加有机电子收集层的体电阻，从而有利于电子从Cs2CO3:Alq3提取至ITO阴极。此外，光学模拟表明Cs2CO3:Alq3层可充当光学间隔来调节最高入射光强在活性层区域内，有效的吸收和电荷分离。 2.提出了一个新概念使用全有机载流子收集层制备的有机光伏太阳能电池，使用溶液旋涂方法得到的Bphen作为电子收集层，HAT-CN作为空穴收集层。与使用常规溶剂氯苯制备的电子收集层相比较，无氯溶剂（甲酸和甲醇）制备的电子收集层拥有较好的溶解性、表面形貌和环境保护等优势。基于无氯溶剂制备电子收集层的有机光伏太阳能电池存在较好的光电性能，特别是甲酸为溶剂的器件可获得高达4.3%的能量转换效率。此外，引入一种强的电子受体材料HAT-CN作为空穴收集层，展示了不同的空穴提取的机理，HAT-CN可作为从铝电极注入的电子和从给体材料提取的空穴的电荷复合区。由于载流子收集层拥有优异的载流子提取性能，低温制备工艺和环境保护等性能，提供了开启环境友好型能源的简易方法。 3.使用新型吡啶衍生物材料p-PPTNT和m-MPyCN作为电子收集层制备的有机光伏太阳能电池，通过优化制备工艺和厚度，最终可分别获得3.88%和3.919%的能量效率。 【关键词】：有机光伏太阳能电池 阴极修饰层 电子收集层 Alq3 Cs2CO3 Bphen 溶液法 p-PPTNT m-MPyCN
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-15
• 1.1 地球环境问题和太阳能光伏发电10-11
• 1.2 光伏太阳能电池的种类11-13
• 1.3 有机光伏太阳能电池的发展现状及挑战13-14
• 1.4 参考文献14-15
• 第二章 有机光伏太阳能电池的原理与研究进展15-32
• 2.1 有机光伏太阳能电池的分类15-19
• 2.1.1 肖特基型有机光伏太阳能电池15-16
• 2.1.2 双层异质结有机光伏太阳能电池16-17
• 2.1.3 本体异质结有机光伏太阳能电池17-18
• 2.1.4 叠层结构有机光伏太阳能电池18-19
• 2.2 有机光伏太阳能电池的结构和制备19-22
• 2.2.1 有机光伏太阳能电池的结构19-20
• 2.2.2 有机光伏太阳能电池的制备20-22
• 2.3 有机光伏太阳能电池的器件性能表征22-24
• 2.4 有机光伏太阳能电池的载流子收集层的研究24-28
• 2.4.1 空穴收集层材料及其作用25-27
• 2.4.2 电子收集层材料及其作用27-28
• 2.5 本论文的研究工作28-29
• 2.6 参考文献29-32
• 第三章 基于 ALQ_3:CS_2CO_3电子收集层的倒置结构有机光伏太阳能电池32-52
• 3.1 引言32-33
• 3.2 实验部分33-34
• 3.2.1 实验材料33
• 3.2.2 器件制备33-34
• 3.2.3 薄膜和器件性能表征34
• 3.2.4 理论计算34
• 3.3 结果与讨论34-49
• 3.4 本章小结49
• 3.5 参考文献49-52
• 第四章 溶液法制备 BPHEN 电子收集层在有机光伏太阳能电池的应用52-65
• 4.1 前言52-53
• 4.2 实验部分53-54
• 4.2.1 实验材料53
• 4.2.2 溶液制备53
• 4.2.3 器件制备53-54
• 4.2.4 薄膜和器件性能表征54
• 4.3 结果和讨论54-62
• 4.4 结论62-63
• 4.5 参考文献63-65
• 第五章 吡啶衍生物作为电子收集层在有机光伏太阳能电池中的应用65-72
• 5.1 前言65-66
• 5.2 实验部分66-67
• 5.2.1 实验材料66
• 5.2.2 溶液和有机光伏太阳能电池的制备66
• 5.2.3 电池的光伏特性表征66-67
• 5.3 结果与讨论67-70
• 5.4 本章小结70
• 5.5 参考文献70-72
• 第六章 总结和展望72-74
• 6.1 全文工作总结72-73
• 6.2 工作展望73-74
• 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文74-75
• 致谢75-76

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