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基于聚合物和富勒烯异质结太阳电池的研究

刘桂林  
【摘要】:有机太阳电池是一种极具潜力的新型太阳电池,与传统的无机太阳电池相比,有机材料具备来源广泛、质量轻便、能够大面积制备、柔性与延展性好、以及材料色彩多样性等优点。另一方面,对有机太阳电池的研究尚未形成统一的理论,许多现象还不到解释,器件的效率受到许多问题的影响。因此,对有机太阳电池制备及表征的研究显得十分重要。本文以聚合物/富勒烯本体异质结为研究对象,选取了聚3-己基噻吩(P3HT)和富勒烯衍生物(PCBM)为异质结材料,对基于聚合物/富勒烯的异质结太阳电池的制备工艺及光电转换现象进行了深入研究,主要成果如下:提出铺撒锌粉湿法刻蚀新工艺,提高刻蚀效率。本文在传统的湿法刻蚀流程中,在ITO阳极刻蚀之前铺撒锌粉,利用锌粉与氧化锡构成原电池反应,减少了电极边缘的钻蚀,提高刻蚀电极的精细度。新工艺阳极刻蚀时间仅需20 s左右,是传统湿法刻蚀工艺时间的一半。得出聚合物/富勒烯太阳电池最佳有源层厚度。本文根据聚合物/富勒烯(质量比1:1)为本体异质结的有源层需要平衡光子吸收与激子扩散这一特点。通过实验得到90 nm厚的有源层是既能保证足够的光子吸收,也能保证激子在给体/受体接触界面附近分离的最佳有源层的结论。与偏离最佳有源层的聚合物/富勒烯太阳电池相比,有源层厚度为90 nm厚的聚合物/富勒烯太阳电池的光电转换效率提高了近12%。基于90 nm有源层最佳厚度的结构,采用阴极进行了修饰研究与阳极掺杂改性使聚合物/富勒烯太阳电池的光电转换效率提高6.89倍。实验研究表明使用钙单质作为阴极修饰层能够有效的提升器件的开路电压。与未使用阴极修饰层的聚合物/富勒烯太阳电池相比,使用阴极修饰层后聚合物/富勒烯太阳电池的光电转换效率从0.55%提升到1.27%,提高了1.3倍。这是因为钙元素与P3HT中的硫元素成键,降低了给体材料的HOMO能级,从而增大了给体与受体材料之间的势差,导致开路电压得到提升。阳极掺杂改性的实验表明掺杂剂的掺杂浓度与空穴传输层薄膜电导率之间存在对应关系。在PEDOT:PSS溶液中掺杂二甲亚砜(体积浓度3%)后制备的聚合物/富勒烯太阳电池的光电转换效率从没有掺杂时的1.27%提高到3.79%。在上述研究的基础上,论文利用,论文利用飞秒瞬态泵浦极化光谱和相关演化微分法研究了聚合物/富勒烯太阳电池光电转换过程中的光生电子的时间响应。本文发现光生电子的产生时间量级为10 ps,在此时间内一个激子便能湮灭产生一对自由极化子。自由极化子的产率在100 ps内能够稳定增加。在利用瞬态光电测试系统对光电转换过程中载流子复合的研究中,我们发现在开路条件下,有源层内的成对复合占据主导。但当聚合物/富勒烯太阳电池连接负载之后,其复合速率在10μs之后显著降低,这是由于内建电场的驱动作用,使电性相反的载流子向着各自的电极迁移,使非成对复合作用增加。因此,载流子迁移与复合发生在纳秒-微秒量级。在基于上述研究成果的基础上,本文设计了一种基于聚合物/富勒烯为本体异质结的位置传感器。该传感器利用有源层厚度的梯度变化,运用550 nm与620 nm双波长激发的光电流差异特性,有效地实现了空间位置传感。总之,本文基于DMSO掺杂的30 nm厚的PEDOT:PSS空穴传输层、90 nm厚的聚合物/富勒烯本体异质结、10 nm厚的阴极修饰层制备的聚合物/富勒烯太阳电池的能使其光电转换效率提高6.89倍。本文发现,聚合物/富勒烯电与硅电池相比仍差距很大的原因之一来自于聚合物/富勒烯太阳电池中的载流子迁移至少需要10μs的时间,而光电子的产生仅在100 ps左右即可完成。本文以聚合物/富勒烯本体异质结为基础,对聚合物/富勒烯太阳电池的制备工艺、光电特性通过逐层优化的方式进行了详细的研究,制备的聚合物/富勒烯太阳电池的光电转换效率随各层优化稳步提升。在优化器件结构的基础上,本文对聚合物/富勒烯太阳电池的光电转换过程与光电转移现象进行了研究。本文侧重于解决聚合物/富勒烯太阳电池中电极形貌对载流子传输影响的问题;修饰层对器件性能影响的问题;光生电子产生与复合的问题;有机光电传感器在位置传感中的应用等。论文侧重于对实验现象进行机理性的分析与研究,希望能够对今后的研究工作提供某些指导性意见。


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