论文部分内容阅读
有机太阳能电池（OSCs）具有成本低廉、可溶液加工、柔性和适用于大规模制造等特点,受到各行各业人士的关注。在短短几十年时间里,OSCs就取得了非常突出的成绩,器件的功率转换效率（Power Conversion Efficiency,PCE）从不足0.1%到如今已经超过20%,主要得益于高性能活性层材料的设计与合成、器件结构和制备方法的改进、活性层形貌的优化和界面工程等方面取得的成功。最开始,OSCs的结构是由有机半导体活性层夹在两个不同功函数的电极之间构成,但是活性层与电极之间无法形成良好的欧姆接触,以及本身较大的电荷势垒,造成活性层激子无法正常扩散和解离,最终导致器件的PCE值不高。通过在活性层与电极之间插入界面修饰层,除了能够解决上述存在的问题,还能有效减少激子复合并提高载流子在电极处的收集,从而提高器件性能。本论文选择PDINN作为OSCs的电子传输层（ETL）,向其中分别掺杂高导电物质石墨烯（G）和单壁碳纳米管（SWCNT）,研究该界面的改性特性,同时研究其对光伏器件性能的影响。本论文主要内容如下:文章首先主要介绍了太阳能电池和OSCs的发展状况,重点叙述OSCs的工作原理和判断器件性能优劣的有关参数,并简要阐述OSCs的活性层材料和界面层材料的发展过程,最后提出提高OSCs性能的优化策略,重点介绍了有关界面修饰层的优化方法。研究内容方面,选择水/醇溶性电子传输层材料PDINN,将高导电性物质石墨烯（G）分散其中,研究该界面掺杂对OSCs性能的影响和改性机制。由J-V曲线研究器件的光伏性能变化;空间电荷限制电流法（the Space Charge-Limited Current,SCLC）研究ETL电导率变化,证明掺杂石墨烯可以提高界面导电性;ESR和XPS等结果证明PDINN对石墨烯进行了n-掺杂。n-掺杂的PDINN-G呈现出较高的导电性和较快的电荷提取速度的特点,在以PM6:L8-BO为活性层、PDINN-G为ETL时,器件获得的最大PCE为16.90%,比纯PDINN作为ETL时的器件效率提高了很多,说明n-掺杂的PDINN-G界面层能够提高OSCs的光伏性能。选择单壁碳纳米管（SWCNT）替换石墨烯G,对同样以PDINN作为器件的ETL进行掺杂,一方面是实现对界面改性的目的,另一方面是验证该界面优化策略的普适性。SWCNT可看作是由石墨烯卷曲而成,其性质与石墨烯类似。当其分散到PDINN中时,根据ESR、XPS等测试结果,同样证明了PDINN对SWCNT实现了n-掺杂;根据SCLC法,证明SWCNT在PDINN中同样能够提高ETL的导电性和电荷迁移率。根据J-V曲线图可知,以PM6:L8-BO为活性层,PDINN-CNT为ETL的OSCs同样表现出优于PDINN为ETL时的器件性能,PCE达到了16.36%。文章最后,回顾OSCs的发展历程和提高器件性能的优化方法,总结了本文为提高OSCs的器件性能,采取在PDINN中分散高导电性物质石墨烯G和单壁碳纳米管SWCNT的方法,分析得到对ETL进行掺杂处理具有可行性和适用性的结论,最后对OSCs未来的发展进行展望。