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《江南大学》 2016年
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染料掺杂活性层对聚合物太阳电池性能影响的研究

朱冰洁  
【摘要】:太阳能作为一种新型的清洁能源,已经越来越受到重视,能将太阳能转化为电能的太阳电池也成为近年来的研究重点。聚合物太阳电池(Polymer Solar Cells, PSCs)作为一种新型太阳电池,由于具有制备成本及工艺上的诸多优点,目前已成为一大热门研究对象。然而,同无机太阳电池相比,PSCs的能量转换效率较低且稳定性较差,在商业化道路上存在一定阻碍。活性层为PSCs的主要组成部分,活性层中给体材料吸收光子产生激子,形成电子空穴对并传输到电极构成最终的电池回路,因此,活性层吸收光子的多少是影响电池光电转换效率的关键。目前,利用掺杂及后处理等手段对活性层薄膜进行优化是提高活性层光子吸收的重要手段之一,由于染料对于光子吸收较强,因此通过对活性层掺杂各种染料可以达到拓宽活性层吸收光谱并提高PSCs转换效率的目的。本文主要研究染料掺杂活性层对PSCs性能的影响,主要从以下两个方面考虑:掺杂酞菁铜、四叔丁基萘酞菁染料后活性层薄膜的性能研究;活性层掺杂上述染料后对PSCs器件性能影响的研究。其中,这两种染料作为掺杂剂掺杂聚合物太阳电池活性层为首次尝试。本文实验将不同质量分数的酞菁铜及四叔丁基萘酞菁掺杂入活性层溶液中并通过旋涂获得活性层薄膜,研究了活性层薄膜的吸光度、表面粗糙度等性能。为了研究活性层掺杂染料后薄膜的优化机理,对掺杂后的活性层溶液进行傅里叶红外光谱测试。此外,本文还研究了活性层掺杂不同质量分数的酞菁铜及四叔丁基萘酞菁后所制备出器件的各项性能。本文中所采用的聚合物太阳电池结构为ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Ca/Al,文中详细介绍了活性层溶液的染料掺杂及聚合物电池的制备过程。研究掺杂染料后活性层薄膜的吸光度发现,掺杂酞菁铜时,薄膜的吸光度均在450-650nm波段有大幅提高,掺杂质量分数为5%时,提高程度最大;掺杂四叔丁基萘酞菁时,薄膜的吸光度在750-850nm波段有微小提高,同样在掺杂质量分数为5%时,提高程度最大。根据掺杂后活性层材料的红外光谱可知,酞菁铜及四叔丁基萘酞菁的掺杂并未改变活性层给体与受体材料的分子结构,也就是说,活性层薄膜掺杂后所发生的性能变化与给受体材料聚合物链的变化无关。通过测试两种染料掺杂后的活性层薄膜表面粗糙度可得,掺杂酞菁铜后,活性层表面粗糙度是未掺杂时的30倍,而四叔丁基萘酞菁的掺杂则改善了活性层薄膜粗糙度,因此两种染料掺杂对器件短路电流及填充因子的影响也存在差异。研究活性层掺杂酞菁铜后制备出器件的性能参数可发现,掺杂3%、4%、5%、6%、7%质量分数的酞菁铜后,器件的整体性能均有所提高。掺杂质量分数为5%时器件整体性能最佳,短路电流(JSC)比未掺杂的7.55mA/cm2提高了1.12倍,达到了16.02mA/cm2,转换效率(PCE)为2.95%,比未掺杂时的1.62%增加了0.82倍,此时对应的开路电压为0.53V,填充因子为34.72%。研究活性层掺杂四叔丁基萘酞菁后制备出器件的性能参数可发现,掺杂3%、4%、5%、6%、7%质量分数的四叔丁基萘酞菁后,除7%的掺杂浓度外,其他掺杂浓度下器件整体性能均有提高。掺杂质量分数为5%时,器件整体性能最佳,短路电流比未掺杂的7.55mA/cm2提高了1.06倍,达到了15.59 mA/cm2,转换效率为3.48%,比未掺杂时的1.62%增加了1.15倍,此时对应的开路电压为0.53V,填充因子为42.10%。对比两种染料掺杂后器件性能,发现均在掺杂质量分数为5%时器件PCE达到最高,且5%的四叔丁基萘酞菁掺杂活性层后器件PCE更高。
【学位授予单位】:江南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TM914.4

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