新型薄膜太阳能电池形貌特征、稳定性以及性能的研究

【摘要】：本论文围绕新型薄膜太阳能电池的形貌特征、稳定性以及性能等相关因素展开研究。主要内容分为三个部分。 1、选用具有不同的沸点、饱和蒸气压以及对poly(3-hexylthiophene)(P3HT)和[6,6]-phenyl C61butyric acid methyl ester (PCBM)有不同溶解度的溶剂(Tetrahydrothiophene(THT)、Tetrahydronaphthalene(THN)、Di(ethylene glycol)-diethyl ether(DEGDE)和1,2-dichlorobenzene(DCB))分别处理聚合物太阳能电池的阳极修饰层,改善了功能层的形貌,增加了器件的效率。 ◇在使用低饱和蒸气压以及对PCBM溶解度较小的DEGDE处理阳极修饰层之后,器件的性能最佳。溶剂蒸气处理后,器件的形貌得到改善,薄膜粗糙度减小,P3HT结晶度提升明显,给体与受体材料之间形成更适当的相分离。 ◇X射线光电子能谱(XPS)测试数据表明,低饱和蒸气压的溶液处理后,器件中会形成在垂直方向上的非均匀分布,使PCBM在阴极更多的富集,P3H T在阳极附近富集,提高了载流子的传输和收集效率。 ◇通过给受体分布对器件性能影响的研究,发现在阳极修饰层/功能层界面处PCBM比例越高,器件的开路电压与填充因子越小,与之前溶剂蒸气处理的结果一致。 2、研究了poly[4,8-bis-alkyloxybenzo(1,2-b:4,5-b)dithiophene-2,6-diyl-alt-(alkyl thieno(3,4-b) thiophene-2-carboxylate)-2,6-diyl](PBDTTT-C):[6,6]-phenyl-C7,-butyric acid methyl ester (PC70BM)作为活性层材料的反型太阳能电池的光稳定性和热稳定性,以及器件在光照和加热过程中的衰减机理。 令通过研究聚合物太阳能电池在光照前后理想因子的变化,发现随着光照时间的增长,给受体界面以及功能层和电极界面的陷阱增多,导致器件中缺陷诱导载流子复合增多,由此造成的电荷聚集使开路电压(Voc)降低,短路电流密度(JSC)减小,最终导致光电转换效率的衰减。 ◇利用差热分析法得到PBDTTT-C:PC70BM的相变温度为64℃；通过测试不同温度下器件的电流密度-电压特性曲线(J-V),发现加热温度是70℃,即超过共混薄膜的相变温度时,器件性能衰减明显；通过热处理前后器件形貌和光电性能研究,发现加热时间增长,功能材料在热动力下相区收缩变得更加紧密,给受体界面减小,降低了光生载流子的产生和载流子传输效率,导致器件短路电流的减小。 3、制作了CH3NH3PbI3为功能层的钙钛矿太阳能电池,优化了器件的性能,研究了器件J-V测试中正向和反向扫描不同而带来的滞后现象以及其中电荷传输的过程。 令制备的钙钛矿太阳能电池器件,使用纳米氧化锌(ZnO-NPs)制作的均匀连续的薄膜作为电子传输层,优化了功能层厚度,光电转换效率达到了13%。 ◇研究了电压正、反向扫描时,JSC与光强的关系,发现两者之间呈线性相关,和电压扫描方向无关,表明在光照下器件中存在的自由载流子复合比例较少。通过Voc与光强关系曲线和暗态J-V曲线,计算了正、反向扫描时器件的理想因子。结果表明正向扫描理想因子大于反向扫描,且更接近于2,这说明正向扫描时钙钛矿太阳能电池中陷阱诱导的载流子非辐射复合比例更大。 ◇利用连续光强扫描,研究了Voc和光强之间的关系。光强由强到弱扫描时,器件理想因子为1.73；反方向扫描时,理想因子减小至1.59。表明了光强出强到弱扫描时,缺陷导致的载流子复合要更严重。 【关键词】：聚合物太阳能电池 衰减 体异质结形貌 钙钛矿太阳能电池 滞后现象 理想因子
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 致谢5-7
• 摘要7-9
• ABSTRACT9-11
• 序11-15
• 1 引言15-41
• 1.1 太阳能电池研究背景15-16
• 1.2 太阳能电池的分类16-24
• 1.2.1 第一代晶体硅太阳能电池16-17
• 1.2.2 第二代薄膜太阳能电池17-18
• 1.2.3 第三代新型太阳能电池18-24
• 1.3 聚合物太阳能电池的工作原理24-27
• 1.4 聚合物太阳能电池中的重要参数27-30
• 1.5 聚合物太阳能电池以及钙钛矿太阳能电池的研究现状30-38
• 1.5.1 形貌控制对聚合物太阳能电池的影响30-34
• 1.5.2 聚合物太阳能电池稳定性的研究进展34-36
• 1.5.3 钙钛矿太阳能电池的研究现状36-38
• 1.6 聚合物太阳能电池以及钙钛矿太阳能电池的研究意义38-41
• 2 溶剂蒸气处理阳极修饰层对聚合物太阳能电池性能的影响41-55
• 2.1 器件制备的材料以及方法43-44
• 2.1.1 实验材料43
• 2.1.2 器件的制备43-44
• 2.2 器件的测量和表征44-45
• 2.3 PEDOT：PSS表面溶剂蒸气预处理对器件的影响结果及讨论45-50
• 2.3.1 溶剂蒸气处理聚合物电池器件的J-V特性影响45-46
• 2.3.2 溶剂蒸气处理聚合物电池功能层的表征46-50
• 2.4 体异质结和多层器件界面处给受体比例对器件性能的影响50-53
• 2.5 本章小结53-55
• 3 聚合物太阳能电池的光稳定性能以及热稳定性能的研究55-73
• 3.1 器件制备的材料与方法55-57
• 3.1.1 ZnO薄膜的制备56
• 3.1.2 器件的制作56-57
• 3.2 器件的测量和表征57
• 3.3 聚合物太阳能电池光衰减过程的研究57-63
• 3.3.1 光衰减过程中器件J-V特性的研究58-59
• 3.3.2 光衰减过程的C-V特性研究59-61
• 3.3.3 光衰减过程的理想因子的研究61-63
• 3.4 聚合物太阳能电池热衰减过程的研究63-70
• 3.4.1 功能层材料以及共混薄膜的差热分析(DSC)64-66
• 3.4.2 热衰减过程中J-V特性研究66-68
• 3.4.3 热衰减过程中功能层形貌的变化68-70
• 3.5 本章小结70-73
• 4 钙钛矿太阳能电池器件性能的优化和研究73-93
• 4.1 器件制备的材料以及方法74-76
• 4.1.1 实验材料74
• 4.1.2 两种ZnO薄膜的制备74
• 4.1.3 器件的制作74-76
• 4.2 器件的测量和表征76
• 4.3 钙钛矿太阳能电池器件的性能研究76-91
• 4.3.1 钙钛矿太阳能电池的形貌特征76-78
• 4.3.2 钙钛矿太阳能电池的性能优化78-81
• 4.3.3 电池界面电荷对其特性的影响81-91
• 4.4 本章小结91-93
• 5 结论93-95
• 参考文献95-113
• 作者简历113-117
• 学位论文数据集11

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