聚合物有机太阳能电池器件的

河北大学

硕士学位论文

聚合物有机太阳能电池器件的

姓名:李占峰

申请学位级别:硕士

专业:原子与分子物理

指导教师:杨少鹏;李光

2011-05

摘 要

摘 要

聚合物太阳能电池具有制造工艺简单、成本低、可卷曲、安全性高、能大面积制备等优点,具有广阔的应用前景,越来越受到人们的广泛关注。本文主要对聚合物太阳能电池的发展历史、发展现状及存在的问题进行了探讨,介绍了聚合物太阳能电池的相关知识。

为了获得较高的能量转换效率,本文研究了退火温度对聚合物太阳能电池器件的影响,并在退火的基础上,在太阳能电池的活性层和阴极之间加入一薄层ZnO作为空穴阻挡层。通过实验,我们得到:退火温度直接影响聚合物太阳能电池的能量转换效率,用P3HT:PCBM作为聚合物太阳电池活性层时,在退火温度为130℃时效果最好,能量转换效率达到2.65%;器件中加入ZnO层之后,能量转换效率明显提高,由原来的2.65%升高到3.45%。

我们采用一种新的电子给体材料PCDTBT,与电子受体材料PC71BM混合制成溶液作为聚合物太阳能电池的活性层,制备了4种不同结构的太阳能电池器件,通过与传统的活性层材料P3HT:PC61BM相对比,发现旋涂活性层PCDTBT:PC71BM的厚度为80nm时,电池的性能最好,新的材料可以使电池的能量转换效率大大提高,其电池器件在100mw/cm2光照强度下,开路电压可达0.89V,短路电流密度为12.3mA/cm2,能量转换效率为5.38%。

本文还研究了电极修饰层对聚合物太阳能电池能量转换效率的影响,我们制备了结构相同、空穴传输层不同的聚合物有机太阳能电池器件,发现器件的性能与空穴传输层的电导率有关。随着空穴传输层电导率的增加,器件的短路电流密度增大,开路电压和填充因子减小。用PEDOT:PSS作为空穴传输层时,器件的性能最好,能量转换效率达到5.03%。

关键词 聚合物太阳能电池 退火温度 ZnO PCDTBT PC71BM 能量转换效率

活性层厚度 电导率

Abstract

Polymer solar cells have manufacturing process simple, low cost, high security and curly, preparation of large area etc, and can have broad application prospects, more and more people's attention. This paper focuses on the development history of polymer solar cell development, the present situation and existing problems were discussed, introduces the related knowledge of polymer solar cells.

In order to obtain high energy conversion efficiency, this paper studies the annealing temperature on the influence of polymer solar cell device, and annealing, and on the basis of the active layer in solar cells and the cathode joined a thin layer of ZnO between as hole linings. Through the experiment, we get: annealing temperatures affecting polymer solar cells directly with the energy conversion efficiency, P3HT: PCBM as polymer solar cell activity in the annealing temperature layers for 130 ℃ works best when 2.65%, energy conversion efficiency reached; After adding ZnO layer device, the energy conversion efficiency was improved obviously, from originally of 2.65% non-smooth higher.

We adopt a new electronic give body materials, and electronic receptors materials PCDTBT PC71BM mixes of polymer solution as solar cells were active layer, four kinds of different structure of the solar cell device with traditional activity, through P3HT: PC61BM material of comparison, found PCDTBT: spin coating PC71BM active layer thickness of 80nm, batteries for the performance of the new materials, best can make battery energy conversion efficiency greatly improved, and its battery 100mw/cm2 devices in the light intensity, open 0.89 V, voltage of short-circuit current density of cm2, averaged 12.3 mA/energy conversion efficiency for 5.38%.

This paper also studies the electrode modified layer of polymer solar energy conversion efficiency, we the influence of the same structure, preparation of polymer hole-transporting layers of organic solar battery device of the device, found the performance and hole-transporting layer on conductivity. Along with the increase of hole-transport layer conductivity, the device short-circuit current density increases, open the voltage and the fill

factor decreased. As with PEDOT: PSS hole-transport layer, the performance of the device, the energy conversion efficiency achieve best 5.03%.

Keywords Polymer solar cells Annealing temperature ZnO PCDTBT PC71BM

Energy conversion efficiency Active layer thickness conductivity

第1章 有机太阳能电池综述

第1章 有机太阳能电池综述

1.1 引言

当今,能源危机和全球变暖两大问题,促使各国政府推动可再生能源的发展,而能源问题已成为世界各国生产和生活发展中遇到的首要问题。首先,世界传统能源现存储量有限,煤,石油,天然气等自然资源面临枯竭,已经不能满足人类当前发展的需要;其次,煤、石油等化石燃料会产生大量温室气体造成全球气候变暖,污染严重,给人类的生产和生活带来严重的影响。而太阳能在可再生能源行业中的地位举足轻重,成为未来最主要的清洁能源这一[1],它清洁干净,不会改变地球的热能平衡,不产生有害气体也不会造成生态环境污染,另外,太阳辐射到地球上的能量是一个巨大的能源宝库,取之不尽,用之不竭。因此,太阳能的开发与利用引起了人类的极大重视,而基于光生伏打效应的太阳能电池是开发利用太阳能的最有效方法之一。

太阳能电池按其所使用原料的不同可分为无机太阳能电池和有机太阳能电池,因为无机材料发展起步早,研究比较广泛,所以目前研究和应用最为广泛的是无机太阳能电池。无机太阳能电池主要是单晶硅、多晶硅和非晶硅系列电池[2,3],然而硅电池原料成本高,生产工艺复杂,不易进行大面积加工,不能实现柔性化,并且原料受地域分布的影响,材料本身不利于降低成本,这些都限制了太阳能电池的普及和大规模使用。开发低成本太阳能电池的有效途径之一就是从材料入手,寻找廉价、环境稳定性高、具有良好光伏效应的新型太阳电池材料。有机太阳能电池材料的特点在于有机化合物的种类繁多,价格低廉,有机分子的化学结构容易修饰,化合物的制备提纯加工简便,可以制成大面积的柔性薄膜器件,拥有未来成本上的优势以及资源的广泛分布性[4]。因此,有机太阳能电池将会越来越受到人们的广泛关注,今后也会有更大的发展空间。

1.2 有机太阳能电池的发展历史及现状

自从1839年 EdmondBeeguerel发现了光伏效应及1876年英国天文学家亚当斯 (JohnCouchAdams)等发现硒片在太阳光照射下可以产生电流以来,很长时间人们仅仅是把它作为一种物理现象,而几乎没有付诸应用。直到1954年,贝尔实验室Chapin.D.M等人[5]制作了第一块单晶硅太阳能电池,开创了光电转换的先例。而第一个有机光电转

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化器件是由Kearns和ealvin在 1958年制备的,其主要材料为镁酞菁(MgPc)染料,有机层夹在两个功函数不同的金属电极之间,它与其中一个电极接触形成肖特基势垒,与另外一个电极形成欧姆接触,在肖特基势垒结合面处发生电荷分离。在这种电池结构中,使激子分离的内建势来源于金属电极的功函数差别或金属与有机材料接触形成的肖特基势垒。内建电场使得激子分离,从而产生电子和空穴。受器件结构的影响,光谱吸收的范围较窄,光通过金属结构的效率较低,而且,只有当激子扩散到电极和材料接触处,激子才能分离,而激子的扩散长度很短,通常这中太阳能电池的转换效率一般较低。

此后的20多年,有机太阳能电池发展缓慢,电池结构都与1958年版的类似,都是在功函数不同的两金属电极之间加入不同的有机半导体材料,器件的光电转化效率相当低。因此,此时的有机太阳能电池还不能付诸应用,仅具有象征性的学术意义。为了提高有机太阳能电池的能量转换效率,人们采用异质结结构来制备器件。 P-N异质结被称为给体-受体异质结,在本质上可以获得像半导体一样的P-N结。可以通过选择合适的给体-受体材料来扩展器件在可见光范围内的吸收,提高光生载流子的数量和效率。这种器件的光伏性能主要是由有机/有机界面决定的,而不是有机/电极界面。因为光照后产生的激子主要是在有机/有机界面分离形成载流子,界面的内建势主要是来源于两种不同材料的电子亲和势和离化能的差值。因此,对于单质结结构的器件来说,异质结结构能更有效的使激子解离,产生更强的光生电流。因此,器件的能量转换效率也要高得多。

自1977年导电聚乙炔(PA)被发现以来[6,7],以聚乙炔薄膜为电池材料的研究论文十分活跃[8]。1982年,Weinberger等[9]研究了聚乙炔的光伏性质,制造出来第一个具有真正意义上的有机太阳能电池,但是当时的能量转换效率仅为10-3%。1992年,Sariciftci等[10]发现共轭聚合物MEHPPV与C60之间存在的光诱导电子转移现象,C60作为电子受体材料的双层器件比单层的MEHPPV高。由此引起人们的极大兴趣。

虽然单异质结结构有机太阳能电池的转换效率较单质结结构有了很大提高,但单异质结结构毕竟给体-受体接触面积有限,使得产生的光生载流子数量不够多,载流子也不能很好的分离,这样就限制了器件性能的提高。为了获得更多的光生载流子,使载流子分离更具效率,就要增加异质结结构给体-受体的接触面积。将p型和n型有机半导体材料进行混合而制备的体异质结电池,增大了D /A界面面积,器件的光电转换效率得到明

第1章 有机太阳能电池综述

显的提高。1997年Gao等[11]报道了由MEH-PPV和C60分别作为电子给体和受体材料混合制备的器件。此结构中给体和受体分子紧密接触,形成D-A混穿网络, 提高了电荷的分离效率。在这个体系中由于异质结分散在整个膜的体系,转移到受体的电荷能够超过复合的电荷从而获得更高的转换效率。

在常见溶剂中,由于单纯的富勒烯溶解性较低,大大限制了这种器件能量转换效率的提高。因此,为了提高C60在有机溶剂中的溶解性,一般利用接枝的方法,从而增加聚合物薄膜中C60 组分的比例,提高太阳能电池的效率。2005年Heerger等[12]报道了P3HT与PCBM混合溶液作为活性层的体异质结电池,能量转换效率高达5%。

理想的体异质结有如下要求[ 13 ] : (1)光电活性材料要在太阳光谱中着较宽的吸收; (2)在D /A界面电场作用下,激子分离产生的电子- 空穴对要能够有效的分离,并能够顺利传输到各自电极; ( 3)要有连续的网络互穿结构,做为载流子传输通道,使得电子和空穴能分别顺利传输到各自的电极。为了各个功能层能更好的发挥各自的作用,人们通常对电极进行修饰。电子传输层,空穴传输层的引入,使活性层中产生的电子和空穴能尽快分离,从而大大提高了器件的能量转换效率。2001年Sean E Shaheen等[14]利用聚合物MDMO-PPV和C60衍生物[6,6]-PCBM构造了一种混合的异质结构,该器件还分别采用PEDOT和LiF作为电极修饰层。该器件的能量转换效率η=2.5%。

Steffen Pfuetzner等[15]研究发现,用C70替代C60作为聚合物太阳能电池的电子受体材料后,器件的性能表现更优越。对比以往的聚合物有机太阳能电池,更高的能量转换效率和更长的使用寿命仍然是人们追求的目标,要提高器件的性能,必须要选用吸光能力更强的材料,降低热损耗,C60由于具有较高的电子亲和力和良好的实用性,一直作为电子受体材料或电子传输层而应用于有机聚合物太阳能电池。与C60相比,C70的吸光能力更强,更有利于电子的吸收和转移,器件的外量子效率在500—700nm光谱区域内可以达到50%,器件的能量转换效率达到2.87%。

Hou等[16]探索了新型电子给体材料作为聚合物太阳能电池的活性层,取得了较好的效果。由于P3HT在300—650nm范围内光谱中吸收范围较小,导致器件短路电流密度小,并且有机太阳能电池的开路电压大小与电子给体材料的电子最高占有轨道和电子受体材料的电子未占有轨道之间的差值有关,使得以P3HT:PCBM为活性层的有机太阳能电池器件的开路电压只能达到0.6V左右,这严重阻碍了器件的发展。为了克服这一问题,

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窄带隙聚合物材料作为电子给体材料合成成功,并应用于光电器件,取得了良好的效果,短路电流密度和能量转换效率都有较大提高,证明了这种方法确实是可行的。然而该器件在具有高电流和能量转换效率的同时,开路电压只能达到0.5—0.7V,为提高聚合物太阳能电池的开路电压,增强器件的能量转换效率,需要找到一种能产生高电压的窄带隙聚合物材料。然而,除了PSFiDBT和PCDTBT之外,很少有能获得高开路电压(0.8V以上)和高能量转换效率(5%以上)的窄带隙聚合物报道,鉴于这两种材料的分子结构类似,都含有芴链,他们合成了类似的聚合物窄带隙聚合物PBDTTBT,它具有对称的延展面结构,有利于电子传输,对光的吸收增强。此外,PBDTTBT在普通的有机溶剂中溶解性好,具有卓越的热稳定性,无惰性气体保护状态分解温度达到337℃。PBDTTBT形成固体膜时,在300—700nm范围内有3个吸收峰,吸收最强处处于596nm,并且HOMO为-5.31eV,用PCDTTBT:PCBM混合作为活性层制备太阳能电池,其短路电流密度(Jsc)达10.7mA/cm2,开路电压(Voc)高达0.92V,能量转换效率为5.66%。

Yu等[17]也进行了相关窄带隙聚合物电子给体材料的研究。聚合物太阳能电池中,体异质结电池是其中最成功的结构,电子给体/受体混合,形成混穿网络结构。2008年以来,由于新型材料的应用,聚合物太阳能电池的能量转换效率提高到6%,虽然取得了较大的进步,但要让其应用到实际当中,还有大量的工作要做,有很多的因素影响到聚合物太阳能电池能量转换效率的提高。原则上,要提高聚合物太阳能电池的能量转换效率,要尽量减小聚合物的带隙,从而增强光的吸收,产生更大的短路电流,另外,还要降低聚合物的最高分子轨道(HOMO),这关系到聚合物太阳能电池开路电压的提高。 Yu等采用以PBDTTT为主体、接有不同长链分别合成了PBDTTT–E,PBDTTT–C, PBDTTT–CF作为聚合物太阳能电池的电子给体材料,如图1.1,分别比较了用三种材料制备的太阳能电池器件性能。其中,PBDTTT—CF所制备的器件能量转换效率高达

7.73%,开路电压(Voc)和短路电流密度(Jsc)分别为0.76V和15.2mA/cm2。

第1章 有机太阳能电池综述

图1.1 几种窄带隙电子给体材料分子结构式

In-Wook Hwang等[18]在研究了窄带聚合物太阳能电池基础上,为了提高器件的性能,采用了一种新的处理方法。由于以P3HT:PCBM为活性层的聚合物太阳能电池能量转换效率提升有限,他们研究了PCDTBT:PCBM作为活性层的聚合物太阳能电池,并加入了一种1-8辛烷作为操作助剂,通过光谱分析显示,使用操作助剂后,器件的载流子损耗减小,但这种减小不足以解释太阳能电池能量转换效率的提高。通过观察发现,使用操作助剂后,器件活性层膜形态发生变化,电子迁移率明显增加,这表明了PCDTBT:PCBM的互穿网络的连通性提高,而电子迁移率的提高也是器件能量转换效率提高的主要原因,使用操作助剂后,器件的能量转换效率达到5.6%。

Youngkyoo Kim等[19]在总结前人经验的基础上,研究了退火温度和活性层使用不同溶剂对太阳能电池的影响。聚合物太阳能电池能量转换效率的提高不仅和器件的结构有关,而且有机层的成膜性对器件性能的影响也很大。他们将P3HT、PCBM按质量比为1:1混合,分别溶于氯苯和1、2二氯苯溶剂中,获得浓度为30mg/ml的混合活性层溶液,制备聚合物有机太阳能电池,经研究发现,在140℃退火15分钟时,器件的性能最佳,并且用氯苯作为活性层溶剂比用1、2二氯苯作溶剂时的能量转换效率更高,两种器件的能量转换效率分别为3%、2.3%。表明用氯苯作为溶剂,140℃退火时,活性层形态发生变化,更利于电子传输,膜的结晶度高,相分离好,因此器件的性能提高。

D. W. Zhao等[20]研究了层叠结构的体异质结级联太阳能电池。为了进一步提高太阳能电池的光伏性能,人们需要有效利用整个太阳光谱。体异质结级联太阳能电池是一种有

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效的太阳能电池结构,把太阳光谱分成几个波段,每一层电池分别吸收不同波段的入射光。不同材料制作的太阳能电池叠加在一起,进一步扩展了器件在可见光范围内的吸收。如图1.2[21]就是一种层叠级联电池结构,两个体异质结太阳能电池通过中间的半透明材料MoO3相连,既能有效吸收光子能量,有保证了电荷的有效分离,从而提高了有机太阳能电池的光伏性能。这种结构相当于两个电池串联,提高了器件的开路电压,同时也保证了器件的短路电流,因此器件的光电转换效率得到大大提高。

图1.2 级联电池结构

Hin-Lap Yip等[22]在改善体异质结有机太阳能电池结构方面取得了巨大进步。体异质结有机太阳能电池由于电子受体材料和给体材料紧密结合,形成互穿网络结构,大大提高了电荷的分离效率,并且 加入阳极修饰层PEDOT:PSS和阴极修饰层LiF之后,明显改善了器件的性能,提高了能量转换效率。但由于环境中水、氧的影响和电池中半导体材料的灵敏性,器件的稳定性很差。为了改善这情况,最近,金属氧化物TiOx等应用到体异质结有机太阳能电池中,作为缓冲层被插入到活性层和Al电极之间,大大提高了器件的性能和稳定性。然而Au、Ag作为阴极时稳定性更好,但由于功函数高,不利于电子收集而导致器件的能量转换效率偏低。Yip等在金属氧化物和电极之间加入了一层自组

第1章 有机太阳能电池综述

合层(SAM),如图1.3,分别研究了三种金属Al、Ag、Au作为阴极时电池的性能,发现加入SAM层,不仅器件的性能明显改善,而且还能够改变Ag、Au的功函数,能量转换效率大大提高。使用Al、Ag、Au作为阴极制备太阳能电池时,三种器件的能量转换效率分别达到4.6%、4.4%、4.3%。

图1.3 加SAM层的太阳能电池结构图

1.3 有机聚合物太阳能电池的基本原理及主要参数

有机聚合物太阳能电池和无机太阳能电池一样,也是一种能够直接把太阳光能转化为电能的器件,它的工作原理与无机太阳能电池类似:

l)一束光照射到有机太阳能电池时,只有光子能量(hv)大于材料禁带宽度(Eg)时,光子能量才会被吸收,激发电子从价带跃迁到导带,而在价带处留出空位,这一空位称之为“空穴”,空穴带有正电荷。这样在材料内部产生了新的电子—空穴对,从而改变了材料的导电性。在有机太阳能电池中,受入射光子激发而形成的电子和空穴以束缚态的形势存在,称之为“激子”。

2)在传统的无机太阳能电池中,在外场作用下,被激发的电子移向正极,空穴移向负极。而在有机太阳能电池中,在外场作用下,激子解离成自由移动的电子和空穴。电

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子和空穴的迁移运动就形成了光电流。激子分离后产生的电子和空穴向相反的方向运动,被收集在相应的电极上,就形成了光电压。如图1.4所示:

图1.4 聚合物太阳能电池基本原理示意图

实际上在有机太阳能电池中,有机材料的激子分离与迁移不是全部有效,为了有效地将光能转化成电能,必须满足以下条件[23]:(1)在有机太阳电池中,有机材料对太阳光谱的吸收要尽可能的大;(2)光子被吸收后能够产生的自由载流子要足够的多;(3)产生的载流子能低损耗地顺利到达外部电路,这样才能得到较大的光电转换效率。然而事实上在光电转换过程中存在着大量损耗[24],使得有机光伏电池实际效率低下。

在表征太阳能电池的光伏性能时,主要有以下几个参数:

1 开路电压Voc:当电路为开路即电流为零时,两电极之间的电位差,称之为开路电压。 2 短路电流 ISC:当太阳能电池两段发生短路时,形成的最大电流,称之为短路电流。 3 填充因子FF:

FF= (Vmax× Imax)/(VOC× ISC)

其中Vmax和 Imax是最大输出功率(Pmax)时对应的电压和电流。

4 外量子效率(EQE)又称为光电转换效率(IPCE):入射光子转换为电流的效率。

IPCE =(1240×ISC)/(λ×Pin)

其中λ为入射单色光的波长,Pin为入射单色光的功率。要提高外量子效率,必须要改善光的吸收、提高激子的扩散效率、增强载流子的收集。外量子效率是衡量太阳能电池性能好坏的重要参数。

5 能量转换效率(η):即最大输出功率Pout与入射的光照强度Pin之比。

η=Pout/Pin= Vmax× Imax/ Pin=FF ×VOC× ISC/ Pin

其中 Pout,Pin分别为最大输出功率和入射光强。

短路电流和开路电压是太阳能电池中最重要的参数,较高的短路电流和开路电压是产生高效率的基础。对于短路电流和开路电压都相同的两个电池,制约其效率大小的因

第1章 有机太阳能电池综述

素就是填充因子,填充因子大,效率就高。习惯上,将太阳光下的能量转化效率称为总能量转换效率,而单色光下的能量转化效率用 η(λ)表示,其中 λ为激发波长。

通过测量电流-电压曲线(I-V)和电流-光谱响应曲线来描述电池的性能。

图1.5 电流电压曲线(I-V曲线)

在一定的光照下,可以得到端电压和电路中通过负载的工作电流的关系曲线,叫做光电池的伏安特性曲线。如图1.5所示,在一定的光照下,光生电流IL是一个常量。曲线与电流轴的交点为短路电流Isc,曲线与电压轴的交点为开路电压VOC。随着负载电阻R的变化,电流和电压沿着曲线相应变化。达到曲线上P点所对应的电流称为最佳输出电流IP,对应的电压称为最佳输出电压VP。不难看出,太阳电池的I一V曲线越趋向方形,其 FF值越大,电池输出特性越好。理想的太阳能光电池的FF为0.82。

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第2章 ZnO对有机聚合物太阳能电池性能的影响研究

2.1 引言

为了提高有机太阳能电池的转换效率,我们主要研究的是ZnO薄层的插入对以P3HT:PCBM为活性层的有机太阳能电池性能的影响,空穴传输层选用PEDOT:PSS, ZnO层作为空穴阻挡层。另外活性层经不同温度的退火处理,对器件的性能也有着很大的影响

[25-26]。

由于ZnO的功函数接近PCBM有利于电子的传输和ZnO低的HOMO起到阻挡空穴的作用[27],从而平衡电子和空穴的传输;在活性层和Al电极之间插入3 nm的ZnO薄层作为空穴阻挡层和电子选择层,使得电池转化效率由2.65%提高到了3. 45 %.。我们认为,由于ZnO薄层有利于改善器件,起到增加器件对光吸收的作用,从而使活性层的吸收进一步增强,进而达到了提高效率的目的。

2.2 实验材料和实验器件结构

本章所采用的材料均为商业性购进未经进一步提纯加工处理,空穴传输层,活性层的分子结构式和器件结构如图2.1,图2.2

所示:

第2章 ZnO对有机聚合物太阳能电池性能的影响研究

图2.1 材料的分子结构式

图2.2 器件结构图

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2.3 器件的制备

有机太阳能电池器件的制备工艺比较简单,其中主要涉及到薄膜工艺和薄膜处理技术,它的主要工艺流程包括:有机活性层的配制;ITO玻璃的清洗及预处理;空穴传输层PEDOT:PSS的旋涂;有机活性层的旋涂;有机修饰层的蒸镀;金属电极的蒸镀。由于有机太阳能电池的制备过程对环境的水、氧含量及清洁度要求比较严格,所以制备过程主要是在充满N2的手套箱中进行的。

首先称量一定量的P3HT和PCBM,分别溶于一定量的氯苯溶剂中,制成浓度相同的P3HT和PCBM的氯苯溶液,再按质量比为1:1将两种溶液混合,置于恒温摇床震荡8小时以上,带混合均匀后取出放入手套箱中待用。

由于有机层与ITO间的界面对器件发光性能的影响至关重要[28-31],基片表面的平整度和清洁度对其后有机材料的成膜性影响很大,不洁的表面不仅会影响电极的透光率,还会引入势垒和杂质能级,降低器件的稳定性,因此ITO基片在使用之前必须仔细清洗,以彻底清除基片表面的污染物。在实验室中,首先将ITO玻璃进行刻蚀,得到我们需要的形状,我们将胶条贴到ITO玻璃上,放入盐酸中浸泡10分钟,然后取出,用清水将表面的盐酸冲洗干净,然后揭去胶条,用清洁剂反复擦洗数次。其次,分别将刻蚀好的ITO玻璃放入去离子水,丙酮,异丙醇,乙醇溶剂中进行超声处理,最后再用去离子水超声处理一次。这样就去除了ITO玻璃表面的大部分灰尘、锈斑、油脂等污染物。玻璃清洗

这样可以减少空气中灰尘和杂质对ITO表面的影响,干净后,可用N2气将玻璃表面吹干,

也可将ITO玻璃放入玻璃皿中,再移入烘箱烘干。最后将处理好的ITO基片移入手套箱中。

在1500转/分的转速下,将PEDOT:PSS溶液滴附在ITO基片上形成均匀的薄膜。成膜后,将其放在在真空烘箱中在80℃的温度下干燥15min,去除薄膜中的水分和其它溶剂。膜层厚度与溶液本身粘度和旋转速度有关,膜厚一般与溶液粘度成正比,与转速平方根成反比。对于相同的材料,在相同的旋涂条件下成膜,膜层厚度基本保持不变,具有很好的重现性。经过测试,本文中所制器件PEDOT:PSS层旋涂厚度为50nm左右。配制好的活性层溶液用同样的方法旋涂制模。旋涂好有机活性层之后样品要在烘箱中进行退火处理。

旋涂是最早的一种薄膜制造工艺[32],也是目前被广泛采用的一种湿法成膜方式。具

第2章 ZnO对有机聚合物太阳能电池性能的影响研究

有可溶性的聚合物且溶液粘度适当的有机半导体材料均可以用旋涂方法制膜。本文中空穴传输层材料PEDOT:PSS和活性层材料均采用旋涂法制模。旋涂方式制模设备成本较低,但是原料使用效率较低,99%以上的材料被浪费掉了。同时,旋涂法无法大面积制模,最重要的是无法实现图案化,因此,这一工艺目前只在实验室中被广泛使用。

在实验中,真空镀膜机与手套箱有通道相连,保证了在实验过程中环境的清洁,防止了空气中的水、氧及灰尘对器件的影响。将旋涂了空穴传输层PEDOT:PSS和有机活性层的ITO基片放入托盘,由通道送入手套箱,首先蒸镀太阳能电池器件中电子传输层或空穴阻挡层材料,真空蒸发镀膜系统的真空度可达到10-5Pa,在蒸发电子传输材料时系统的真空度应维持在4x10-4Pa。首先将电子传输层材料置于蒸发舟内,控制热蒸发源的温度,使电子传输层的材料气化并蒸发。需要蒸镀的样品位于热蒸发源上方,每个样品下都有单独的掩模板,这样就可以得到不同的电子传输层薄膜形状,在蒸镀过程中,保持匀速转动,保证率成膜的均匀性。薄膜的厚度是由FTM膜厚监控仪进行监视控制。

电子传输层蒸镀完成后,通过改变样品下的掩模板,同样的方法蒸镀阴极,实验中阴极材料选用的是功函数较低的金属铝,纯度可达到4个9。蒸镀铝时,是把铝丝挂在钨丝上进行蒸发的,通过调节钨丝的温度来控制铝丝的蒸发速率,一般控制在5nm/s左右,最终的蒸镀膜厚为150nm。

将蒸镀完电子传输层和阴极的样品由连接通道送回手套箱,器件的封装是在手套箱中完成的。所用材料为PET膜和封装胶。按实验中所制备的有机太阳能电池的面积,将PET和封装膜裁剪为合适的大小,温度设定为130℃,时间设定为40s。温度设定不能过高,否则会损毁太阳能电池样品或影响其性能,也不能过低,那样就会造成封装膜不能完全熔化开,起不到封装的效果。

2.4 结果与讨论

2.4.1 不同退火温度影响电池性能

我们共制作了三个结构相同的器件,具体结构为:ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al,不同之处在于分别在不同的温度下进行退火,温度分别为110、130和150℃,时间均为5分钟,来探索其对有机太阳能电池能量转换效率的影响。本文实验中所用仪器为AM1.5的模拟太阳光源(100W氙灯)和Keithley2400。在室温条件下,模拟太阳光源从光电池阳极入射。测量聚合物太阳能电池I-V曲线过程示意图如图2.3。氙灯产生的光对样品进

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行照射,光照强度用光功率计进行标定,光照强度为100mw/cm2。通过测试,可得到聚合物太阳能电池的I-V特性曲线。

图2.3 聚合物太阳能电池器件的

将三组数据进行处理,得到短路电流和开路电压,从而得出能量转换效率及填充因子的值。详见表

表2-1 不同退火温度太阳能电池器件的性能

器件

A

B

C 退火温度(℃) 110 130 150 Voc(V)0. 58 0. 6 0. 6 Jsc(mA/cm2)7. 6 9. 83 6. 49 FF(%) 42. 7 44. 9 35. 5 η(/%) 1. 88 2. 65 2. 24

如表2-1所示,电池A活性层110 ℃退火5分钟,Voc=0. 58 V,Jsc=7. 60 mA/cm2,FF(填充因子)=42. 7%,η=1. 88%;当用130 ℃退火时,电池B的开路电压没有大的变化Voc=0. 60 V,短路电流Jsc提高了29.4%,Jsc=9. 83 mA/cm2,FF也提高到44. 9%,从而转换效率达到2. 65%;但是当退火温度提高到150摄氏度时,器件C的Jsc反而下降

到6.49 mA/cm2,FF=35. 5 %,效率相比电池B下降了18. 3%. 从以上数据分析试验中发现,开路电压方面,虽然不同的退火温度,但是Voc大约都为0.6 V。器件的I-V曲线如

图2.4所示。 这是由于开路电压主要取决于电子给体HOMO和电子受体LUMO. 短路电流方面,在130 ℃退火时达到最大. 主要是因为130 ℃退火时,氯苯溶剂挥发速率适当,一方面聚合物P3HT结晶度高、相分离较好;另一方面优化活性层薄膜形态,构成较好的

第2章 ZnO对有机聚合物太阳能电池性能的影响研究

载流子迁移网络,降低串联电阻. 所以得到短路电流9. 83 mA/cm2. 当110 ℃退火时,试验中认为溶剂挥发速度较慢,没有充分使P3HT结晶和相分离,从而没有得到好的电子传输网络. 相反,当150 ℃退火时,溶剂挥发速度过快使薄膜表面形态过于粗糙,从而造成活性层和电极界面特性不好,性能下降. 总之,最后试验中得出130 ℃退火5分钟能最大限度提高电池的性能,转化效率η=2. 65%。

Current Dendity /(mA/cm)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

2

Vottage ( V)

图2.4 不同退火温度的太阳能电池器件I-V曲线图

2.4.2 不同厚度的ZnO薄膜对电池性能的影响

我们共制作了三个结构相同、ZnO薄膜厚度不同的器件,其结构为:ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/ZnO/Al,不同之处在于ZnO薄膜的厚度,用以探索其对有机太阳能电池性能的影响,器件的结构图如图2.5所示。将数据进行处理,得到短路电流和开路电压,从而得出能量转换效率以及填充因子的值。详见表2-2。

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表2-2 不同ZnO层厚度的太阳能电池器件的性能

器件 D E F

退火温度(℃) 130 130 130

ZnO (nm) 3 6 9

Voc(V)0. 6 0. 6 0. 6

Jsc(mA/cm2)

13. 5 11. 8 11. 9

FF(%) 42. 4 45. 9 44. 7

η(/%) 3. 45 3. 24 3. 19

电池D、E、F的I-V特性曲线如图2.7所示. 实验中整体来看加入ZnO的电池D、E、F性能相对A、B、C有了很大的提高,特别是在电流方面有了明显提高. 试验中把电流的提高归功于ZnO的能级结构和好的电子传输特性. 具体来说,试验中认为有以下三方面的原因. 第一,ZnO的能级结构(如图2.6所示),ZnO的下能级功函数为7. 5 eV,它和Al电极之间形成了3. 2 eV的势垒区,充当了阻挡空穴[33,34]相阴极传输作用,从而使电子、空穴传输平衡复合减少,很大程度上提高了电池的短路电流和转换效率;第二,由于ZnO功函数4. 2 eV介于PCBM的LUMO和Al电极4. 15 eV之间,这样一方面可以使载流子很快从活性层转移出来从而避免复合,另一方面更有利于Al电极的收集避免载流子在Al界面的积累,从而提高收集效率达到增大短路电流Jsc,提高填充因子FF的目的;第三,ZnO薄层在电池中起到改善器件,起到增加器件对光吸收的作用[35]. 它可以使电子给体和受体的界面吸收最大的光强,从而获得更多的光子,从而载流子数量增大,达到

增大短路电流和提高电池性能的作用.

图2.5 聚合物太阳能电池器件结构

第2章 ZnO对有机聚合物太阳能电池性能的影响研究

图2.6 加ZnO之后的能级图

然后,实验中研究了不同的ZnO厚度对电池性能的影响. 电池D加入了3 nm的ZnO薄膜,Voc=0. 60 V,Jsc=13. 5 mA/cm2,FF(填充因子)=42. 4%,η=3. 45%. 但是当厚度增加到6nm时,短路电流Jsc出现明显下降,从13.5 mA/cm2降到11. 8 mA/cm2. 随后又把ZnO厚度增加到9 nm,同样电池性能也出现下降,转化效率相对3 nm时下降9%,数据参数如表一所示. 通过比较试验中得出加入ZnO的最佳厚度为3 nm,随着厚度增加电池性能出现明显下降. 试验中认为有两方面的原因:第一,ZnO的厚度影响活性层光场的传输,3 nm时能使活性层外量子效率(EQE)达到最大;第二,随着ZnO厚度的增加,使电池内部串联电阻增大,当厚度增加到一定程度反而影响电池性能. 总之,最后试验中得出在退火130 ℃的基础上插入3 nm的ZnO薄膜大幅提高了电池的性能,从η=1. 88%稳定提高到η=3. 45%的高转化效率.

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2 Current Dendity (mA/cm)

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0.0

Vottage( V)

图2.7 不同ZnO厚度的太阳能电池器件的I-V图

2.5 小结

先是通过控制退火温度,得出了130 ℃时的最佳转换效率. 然后在此基础上加入3nm的ZnO大幅提高了电池的性能,转换效率增长了近一倍,首先由于ZnO的功函数LUMO与PCBM接近,这更有利于电子的传输;其次,ZnO功函数的HUMO较低,能有效的阻挡空穴,使电子和空穴复合的几率大大降低,大大提高了电池的短路电流;此外由于ZnO也有利于改善活性层内部光场强度分布使活性层的吸收进一步增强,这些都增大短路电流JSC和填充因子FF,从而大大提高了电池的转换效率,由原来的1.88%增长到3.45%,这种相对于通过严格控制活性层生长速度和退火温度达到高的转换效率来说,具备较高的可控性和稳定性,为大规模生产提供参考.

第3章 不同活性层材料的聚合物太阳能电池器件性能研究

第3章 不同活性层材料的聚合物太阳能电池器件性能研究

3.1 引言

聚合物太阳能电池具有材料可选择余地大、毒性小、加工容易、成本较低等优点,并且适用于制作大面积柔性器件,逐渐受到人们的高度重视。以P3HT:PCBM的混合溶液作为活性层材料的体异质结有机太阳能电池在过去的十几年中被广泛研究[36,37]。目前光电转换效率可达到4.8—5.2%[38-40]。但这种器件由于材料原因,开路电压只能达到0.6V左右[41]。这大大限制了聚合物太阳能电池光电效率的提升。因此,我们需要寻找新的聚合物作为光电池的活性层材料。

本章中,我们采用新型的电子给体材料PCDTBT(poly(N-9-heptadecanyl-2,7- carbazole-alt-5,5-(4,7-di-2-thienyl-2,1,3-benzothiadiazole))(分子结构式见图3.1)和P3HT分别与PC61BM和PC71BM进行混合作为聚合物有机太阳能电池的活性层材料,制成器件进行分析研究。如图为PCDTBT的分子结构式。

图3.1 PCDTBT分子结构式

3.2 实验介绍

首先将P3HT、PCDTBT、PC61BM、PC71BM分别溶于氯苯溶剂中,然后取一定量的P3HT的氯苯溶液,以质量比为1:1,分别与PC61BM和PC71BM溶液混合,制备成混合溶液,再取一定量的PCDTBT溶液,以质量比1:2,分别与PC61BM和PC71BM溶液混合,制备成混合溶液,将四种混合溶液置于摇床,时间8小时以上。利用旋涂法将PEDOT:PSS旋涂在蚀刻好的ITO玻璃上,转速为3000r/min,厚度约为50nm,然后将样品放于烘箱130℃烘烤15分钟,待PEDOT:PSS完全干燥后取出。用甩胶的方法将制备好的活性层溶

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液以1500r/min的转速旋涂在PEDOT:PSS层之上,然后再放入烘箱中130℃退火5分钟。之后将样品移入真空镀膜机,分别蒸镀1nm的LiF和100nm的AL电极。制备AL电极时使用掩模板,电池器件的有效面积为4×4mm。结构图如下:

图3.2 不同活性层的有机太阳能电池器件结构

3.2 结果与讨论

3.2.1 活性层厚度不同对有机聚合物太阳能电池性能的影响

我们制备了三个结构相同,活性层厚度不同的器件,其结构为ITO/PEDOT:

第3章 不同活性层材料的聚合物太阳能电池器件性能研究

PSS/PCDTBT:PC61BM/LiF/AL,见图。活性层厚度分别为40nm、80nm、120nm,用以探索其对有机聚合物太阳能电池能量转换效率的影响。将三组数据进行处理,详见表3-2:

表3-1 不同活性层厚度的太阳能电池器件性能

器件 A B C

活性层厚度(nm) 40 80 120

Voc(V)0.84 0.83 0.82

Jsc(mA/cm2)

11.2 15.0 10.6

FF(%) 47.0 47.7 41.3

η(/%) 4.39 5.04 3.58

通过上表格可以看出,活性层的厚度分别为40nm、80nm、120nm的太阳能电池器件开路电压分别为0.84V、0.83V、0.82V,短路电流分别为11.2 mA/cm2、15.0 mA/cm2和10.6 mA/cm2,填充因子分别为0.470、0.467和0.413,能量转换效率分别为4.39%、5.04%和3.58%。显然,活性层厚度为80nm时,太阳能电池器件的光电转换效率最高,当活性层厚度太小或太大时,均不能得到理想的结果。将三组数据制作成I-V曲线如图3.3。

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15

15

10

10

Current Dendity /(mA/cm)

2

55

00

-5-5

-10-10

-15-15

-20

-20

Vottage ( V)

图3.3 不同活性层厚度的太阳能电池器件I-V 图

如图3.3所示,三种不同厚度活性层的太阳能电池的伏安特性曲线呈不同形态,在同等光照条件下,活性层厚度为80nm时,太阳能电池器件的性能最好。

活性层厚度为40nm时,聚合物太阳能电池器件的能量转换效率为4.39%,由图中可以看出,活性层的厚度为40nm时,太阳能电池的开路电压较大,但短路电流较小,原因在于活性层厚度越薄,对光的吸收强度越小,而短路电流的大小主要受光吸收和载流子传输两方面的影响,活性层厚度薄,吸收的光子少,产生的激子数目减少,虽然活性层厚度小使得载流子传输距离变短,避免载流子传输过程中的大量复合,但总体来说,最终被收集的载流子数目是减小的,因此器件的短路电流减小,则最终导致太阳能电池能量转换效率的降低。

活性层厚度为120nm时,太阳能电池的能量转换效率为3.58%。由图中可以看出,活性层厚度为120nm时,太阳能电池的开路电压与厚度为40nm、80nm时差不多,但短路电流和填充因子都比较小。虽然活性层厚度增加,对光的吸收强度升高,吸收的光子及产生的激子数目也随之增多,但并不是说这样太阳能电池的短路电流就一定升高,

第3章 不同活性层材料的聚合物太阳能电池器件性能研究

这是因为激子在扩散最终形成势垒的过程中,有一定的扩散距离和寿命的限制。厚度过大,在未形成势垒前,大量的激子在扩散的过程中复合掉,对光电效应没有任何贡献了,也就是说,厚度过大反而印制了激子的扩散,而这也是导致短路电流和填充因子减少的主要原因。

活性层厚度为80nm的聚合物太阳能电池的光电转换效率效果最好,在开路电压与40nm、120nm厚的器件相差无几的情况下,短路电流远高于后两种器件。厚度为80nm时,器件的光电转换效率最高,达到5.04%,效果比较理想。可见,活性层为80nm厚时的聚合物太阳能电池器件既克服了40nm太薄光吸收强度小、激子少的缺点,又不至于太厚阻塞了激子的漂移,影响器件的性能。活性层吸收光子后,产生电子和空穴对,这些激子分离成自由载流子被传输到电极的两端,形成势垒,在内建电场的作用下,能够有效分离并扩散到两极。因此可以得出结论,活性层厚度为80nm时最为适宜。

3.2.2 不同活性层材料对聚合物有机太阳能电池的影响

我们分别制备了4种不同活性层材料的聚合物有机太阳能电池器件,见图3.2,其结构分别为:D玻璃/ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PC61BM/ LiF /AL,E玻璃/ITO/PEDOT:PSS/ P3HT:PC71BM/LiF/AL,F玻璃/ITO/ PEDOT:PSS/ PCDTBT: PC61BM/ LiF/AL,G玻璃/ITO/PEDOT:PSS/PCDTBT:PC71BM/LiF/AL,

测得的数据如表3-2所示:

表3-2 不同活性层材料的太阳能电池器件性能

器件 D E F G

Voc(V)0.60 0.61 0. 88 0. 89

Jsc(mA/cm2)

11.8 13.5 12.0 14.3

FF(%) 45.9 42.4 47.7 48.8

η(/%) 3.24 3.45 5.04 5.86

柔性聚合物太阳能电池器件D、E、F、G的开路电压分别为0.60、0.61、0.88、0.89V,能量转换效率分别为3.24%、3.45%、短路电流密度分别为11.8、13.5、12.0、14.3mA/cm2,5.04%、5.86%。将电压与对应电流数据制作成I-V曲线如下

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302520

0.00.20.40.60.81.0

30

20

Current Dendity (mA/cm2)

151050-5-10-15

0.0

10

-10

0.20.40.60.81.0

Vottage ( V)

图3.4 不同活性层材料的太阳能电池器件I-V图

如图3.4为四种不同活性层材料的太阳能电池福安特性曲线比较。首先比较器件D和器件E,两个器件的开路电压几乎相同,均为0.6V左右,这是因为在体异质结太阳电池中,开路电压主要由电子给体材料的最高分子占有轨道(HOMO)和受体材料的最低分子未占有轨道(LUMO)决定,两种器件的电子给体材料均为P3HT,受体材料器件D为PC61BM,器件E为PC71BM,而这两种材料的LUMO相等,则所得到的开路电压相差无几是可以预见的。器件E的短路电流比器件D的高出约14.4%,这是由于PC71BM比PC61BM具有更好的吸收性能,这样有更高的外量子效率,在500—700nm区域,可以超过50%,因此,器件的短路电流提高,从而提高的光电转换效率,从3.24%提高到3.45%。同样,器件F和器件G,得到的开路电压几乎相同,只是由于器件G采用PC71BM作为电子受体材料,器件的短路电流由11.9 mA/cm2升高到14.3 mA/cm2,从而器件的光电转换效率由5.04%升高到5.86%,增加了约16.3%。

对比器件D和器件G,由图中可以看出,电池的性能明显升高,器件G的开路电压比器件D的开路电压高出约48.3%,这是由于有机太阳能电池的开路电压主要受电子给体

第3章 不同活性层材料的聚合物太阳能电池器件性能研究

材料的最高分子轨道(HOMO)和电子受体材料的最低分子轨道(LOMO)之间能量差所控制。器件D中,所用的电子给体材料和电子受体材料分别为P3HT和PC61BM,而P3HT的最高分子轨道与PC61BM的最低分子轨道之间的能量差较小,所以器件D的开路电压只能达到0.6V左右。器件G中所用的电子电子给体材料为PCDTBT,与P3HT比较,它具有较低的HOMO,相差约为0.3eV,理论上以PCDTBT:PC61BM混合溶液作为有机太阳能电池的活性层材料,电池的开路电压理论上可以达到0.9V,在本文中也得到了实验数据的验证。器件G中所采用的电子受体材料为PC71BM,由于吸光率增加,大大提高了器件的短路点电流,由11.8mA/cm2提高到12.3 mA/cm2,增加了约4.24%,从而器件的光电转换效率大大提高,由3.24%提高到5.86%,提高约80.9%。

3.3 小结

通过改变活性层PCDTBT:PC71BM的膜厚,我们可以看出,活性层厚度为80nm时,聚合物太阳能电池的性能最好,并且通过与传统的活性层材料P3HT:PC61BM比较,其器件开路电压可达到0.89V,短路电流密度为12.3mA/cm2。结果表明,新的活性层材料的应用明显提高了光电池器件的性能。

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第4章 空穴传输层对聚合物有机太阳能电池的影响

4.1 引言

为了或得较高的能量转换效率,通常在试验中太阳能器件中加入电极修饰层,即在阳极与活性层之间添加空穴传输层,在阴极与活性层之间添加电子传输层。其中,空穴传输层研究最多的是PEDOT:PSS。导电聚合物PEDOT(聚乙撑二氧噻吩)是一种新型的有机导电材料,具有高电导率、好的环境稳定性、在掺杂状态是透明的等优点,这些优点使其在制备有机电致显示、有机太阳能电池、超级电容器等电子器件中得到广泛应用。

我们在实验中,采用了不同的空穴传输层(PH500、PH1000),制备太阳能电池,并与PDEOT:PSS进行比较,发现随着空穴传输层电导率的逐渐增大,器件的短路电流密度逐渐增加,但开路电压和填充因子逐渐减小,因此,器件的能量转换效率是减小的。使用PEDOT:PSS作为空穴传输层时,器件的能量转换效率最大,为5.03%

4.2 实验介绍

分别称量一定量的PCDTBT和PCBM,溶于氯苯溶剂中,然后按质量比为1:2将PCDTBT和PCBM氯苯溶液混合,最后溶液的浓度为30mg/ml。在恒温摇床中震荡8小时,使其充分溶解,然后移入手套箱中。

利用旋涂法,我们制备了3种结构相同,空穴传输层不同的聚合物太阳能电池器件,如图4.1所示,其结构分别为:ITO/PEDOT:PSS/PCDTBT:PCBM/LiF/Al,ITO/PH500/ PCDTBT: PCBM/LiF/Al,ITO/PH1000/PCDTBT:PCBM/LiF/Al。

第4章 空穴传输层对聚合物有机太阳能电池的影响

图4.1 不同空穴传输层的太阳能电池器件结构

4.3 结果与讨论

测得的数据如表4-1所示。

表4-1 不同空穴传输层的聚合物太阳电池器件性能

器件

A

B

C

活性层 PEDOT:PSS PH500 PH1000 Voc(V)0.89 0.81 0.79 Jsc(mA/cm2)12.3 13.0 15.1 FF(%) 48.5 43.2 33.7 η(/%) 5.86 4.58 3. 99 由表4-1可看出,分别用PDEOT:PSS、PH500和PH1000作为活性层材料制成聚合物太阳能电池器件时,能量转换效率分别为5.86%、4.58%和3.99%,器件开路电压分别为0.89V、0.81V、0.79V,短路电流密度分别为12.3、13.0和15.1 mA/cm2。

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150.00.20.40.60.81.015

1010

Current Dendity /(mA/cm)25500-5-5-10-10

-15

-15

Vottage ( V)

图4.2 不同空穴传输层的太阳能电池器件I-V曲线

如图4.2为三种不同空穴传输层的聚合物太阳能电池器件的I-V曲线性能比较,从图中可知,器件A的短路电流密度最小,为12.3mA/cm2,但开路电压最大,为0.89V,分别比器件B和器件C高约9.9%和12.7%,而且器件A的填充因子也最大,为0.485,因此,器件A的能量转换效率也最大,达到5.86%,分别比器件B、C高27.9%和46.9%。这是由于器件A、B、C所使用的空穴传输层材料电导率是逐次增加的,而电导率越大,则导电性能越强,所以器件的短路电流密度随着电导率的增加逐渐增大,器件C的短路电流密度最大。而随着电导率的增加,其电阻是减小的,则电池器件的内阻减小,从而开路电压也随之减小。填充因子随着电导率的增大而减小可能是由于空穴和电子的传输不平衡引起的。

4.4 重复性实验结果

我们制作了12个相同结构的有机太阳能电池器件,进行重复性实验,器件的结构为ITO/PEDOT/PCDTBT:PC71BM/LiF/Al ,器件的重复性好,能量转换效率均为5.0%以上,最低为5.07%,最高为6.11%。如下表所示,出自乐凯公司出具的检测报告。

第4章 空穴传输层对聚合物有机太阳能电池的影响

表4-2 重复性实验结果

器件编号 短路电流密度

(mA/cm2) 开路电压(V) 填充因子 效率(%)

1 12.6 0.90 0.50 5.67 2 13.0 0.89 0.49 5.66 3 13.2 0.89 0.52 6.11 4 12.8 0.90 0.51 5.87 5 12.2 0.89 0.49 5.32 6 11.9 0.90 0.49 5.24 7 11.7 0.90 0.49 5.15 8 11.5 0.90 0.49 5.07 9 12.0 0.89 0.51 5.44 10 12.6 0.89 0.50 5.61 11 12.4 0.89 0.51 5.62 12

12.1 0.90 0.54 5.88

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4.5 小结

通过比较不同的空穴传输层材料的聚合物有机太阳能电池,可以看出当电导率越大时,器件的短路电流密度越大,开路电压越小,填充因子也变小,因此器件的能量转换效率是降低的。用PEDOT:PSS作为聚合物太阳能电池的空穴传输层时,器件的性能表现最好,开路电压为0.86V,开路电压为12.1mA/cm2,能量转换效率达到5.03%。

结束语

结束语

聚合物太阳能电池具有制造工艺简单、成本低、可卷曲、能大面积制备等优点,在太阳能电池领域具有广阔的应用前景,越来越受到人们的广泛关注。

为了获得更高的能量转换效率,我们首先研究了退火温度对聚合物太阳能电池器件的影响,并在获得最佳退火温度的基础上,在器件的活性层和阴极之间加入一薄层ZnO作为空穴阻挡层。通过实验,我们发现:退火温度直接影响聚合物太阳能电池的能量转换效率,在退火温度为130℃时效果最好,能量转换效率达到2.65%;器件中加入ZnO层之后,能量转换效率明显提高,由原来的2.65%升高到3.45%。

我们采用一种新的电子给体材料PCDTBT,与电子受体材料PC71BM混合制成溶液作为聚合物太阳能电池的活性层,制备了4种不同结构的太阳能电池器件,通过与传统的活性层材料P3HT:PC61BM相对比,发现旋涂活性层PCDTBT:PC71BM的厚度为80nm时,电池的性能最好,新的材料可以使电池的能量转换效率大大提高,其电池器件在100mw/cm2光照强度下,开路电压可达0.89V,短路电流密度为12.3mA/cm2,能量转换效率为5.38%。

我们研究了太阳能电池的空穴传输层对太阳能电池器件性能的影响。分别研究了PDEOT:PSS、PH500、PH1000作为空穴传输层时的器件性能。我们发现,随着空穴传输层电导率的提高,器件的短路电流密度逐渐增加,开路电压逐渐减小,填充因子变小。采用PEOT:PSS作为空穴传输层时,器件的性能最好。

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致 谢

致 谢

衷心感谢我的导师杨少鹏教授、李光教授,他们渊博的知识、丰富的经验、严谨的治学态度踏实的工作作风,使我终生难忘。本论文的课题选择,实验方法的制定,实验结果的分析等都凝聚着导师的心血,使我受益终生。能在两位导师的指导下学习我感到万分荣幸!

在实验阶段,感谢柴老大同学及赵艳新、黄达、孔伟光等师弟对我无私的帮助,给我提出了许多有益的建议,帮助我完成实验过程,正是有了他们的帮助,我才能顺利的完成实验。

在学习期间,非常感谢我的家人,正是有了他们对我的关怀、支持与鼓励,我才能取得今天的成绩。我将以更出色的成绩来回报他们。

最后,向所有关心、帮助过我的人们表示衷心的感谢!

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