论文部分内容阅读
本论文首先研究了热退火对基于一种新型窄带隙聚合物作为有机太阳能电池给体材料时器件的光电性能的影响；然后重点介绍了三种石墨烯杂化材料的制备、性能表征和它们在聚合物太阳能电池中的应用；最后介绍了如何利用液晶小分子提高聚合物太阳能电池能量转换效率方面的工作。具体内容如下：1.窄带隙聚合物作为给体材料的工作一种新型的窄带隙聚合物：环戊烯并二噻吩/噻吩酰亚胺(简称P1)取代光敏层中常见的聚3-己基噻吩(P3HT)作为聚合物太阳能电池的电子给体材料,研究热退火对P1:PCBM (C60的衍生物)混合薄膜的影响,重点探讨了基于P1:PCBM为光敏层的电池器件在不同温度退火后电池的光电性能。研究表明不经过热退火处理的电池性能最优,能量转换效率(PCE)为2.01%,Jsc,Voc和FF分别是5.97mA/cm2,0.86V和39%。利用单载流子器件测量载流子的迁移率后发现,电池经过退火后,虽然电子和空穴的迁移率都上升,但是由于电子和空穴迁移率之间的不平衡性被进一步扩大,产生空间电荷区,所以退火之后虽然吸光强度增大但仍然导致短路电流下降。从电池的能带结构分析发现,由于给体材料P1的HOMO与PCBM的LUMO之间的能量差为1.3eV,所以电池能够得到0.86V的高开路电压。2.石墨烯杂化物作为受体材料的工作用简单的水热法制备了石墨烯/氧化锌的杂化材料(简称G-ZnO),对G-ZnO材料的形貌、成分组成、晶体结构、光、电学性质做了系统表征,并将其作为电子受体材料制备了聚合物太阳能电池。重点研究了电池性能与光敏层中G-ZnO含量的关系。随着光敏层中G-ZnO含量的增加,电池的PCE先增加后降低。当G-ZnO占光敏层总质量(G-ZnO的质量加上P3HT的质量)的15%时,P3HT的晶粒大小为16.6nm左右,满足激子扩散和分离的条件,电子迁移率达到1.32×10-5cm2V-1s-1,同时电池的串联电阻Rs也达到最小值,此时电池的PCE为0.98%,V。c为0.81V,Jsc为4.92mA/cm2。3.石墨烯杂化物作为空穴传输层的工作利用水热法制备了一种氧化石墨烯的衍生物——钼离子修饰的氧化石墨烯(GO-Mo),并对GO-Mo薄膜的成分、形貌、晶体结构、表面化学态、霍尔迁移特性做了系统表征。GO-Mo薄膜具有良好的透光性,在波长为400-800nm范围内透光率超过90%。Hall测试结果表明其为P型半导体,载流子浓度为～1013cm-3, GO-Mo薄膜的载流子迁移率达到10.8cm2V-1s-1。制备了GO-Mo作为空穴传输层(简称HTL)的聚合物太阳能电池,PCE能达到2.61%,Jsc,Voc和FF分别为9.02mA/cm2、0.59V和49%,与传统的PEDOT:PSS为HTL时的PCE相当。最后还研究了不同层数的GO-Mo薄膜对电池性能的影响,由于3层的GO-Mo薄膜能够形成连续的电荷传输通道,所以此时电池的PCE最大。4.石墨烯杂化物作为阳极的工作通过水热法制备了石墨烯(简称G)和ATO (SnO2:Sb)纳米颗粒的复合物ATO/Go讨论了退火温度和退火环境对ATO/G薄膜的透光性和导电性的影响,并用ATO/G薄膜取代ITO作为电池的阳极制备了聚合物太阳能电池。ATO/G薄膜具有良好的光学透光性,在300-800nm范围内的透光率超过了90%,但是方块电阻在兆欧以上,通过牺牲薄膜透光率的方式能够降低了薄膜的方块电阻。当ATO/G薄膜在热退火后,方块电阻有一定程度的下降,并且发现在空气中的退火效果要比在Ar气中的退火效果好。为了进一步降低薄膜的方块电阻,用磁控溅射的方法在ATO/G薄膜的表面镀上10nm厚的Au,最后利用ATO/G/Au薄膜作为阳极,制备了结构为ATO/G/Au/MoO3/P3HT:PCBM/Al的聚合物太阳能电池,PCE达到1.85%。5.利用液晶小分子修饰界面提高电池光电转换效率的工作为了提高电池的PCE,把一种盘状的液晶小分子材料——六丁氧苯并菲(简称HAT4)插入空穴传输层和光敏层之间,其中空穴传输层采用了三种不同的材料。当HTL为PEDOT:PSS时,PCE提高43%；当HTL为M003时,PCE提高43%；当HTL为NiO时,PCE提高35%。讨论了利用HAT4使电池PCE提高的微观物理机制,当电池经过150℃退火后,HAT4会形成有序的六角柱状相,柱内分子电子云的相互交叠形成了一个准一维的电荷传输通道,电荷沿着柱的轴线方向传递,有效地提高了电池中载流子的迁移率从而使Jsc上升,同时研究发现HAT4薄膜的厚度对器件的PCE也有着重要的影响。