石墨烯材料的功能化及其在聚合物太陽能電池中的應(yīng)用.pdf

1、將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能的光伏技術(shù)是解決當(dāng)今世界日益嚴(yán)重的能源問題和環(huán)境問題的一個(gè)重要舉措。聚合物太陽能電池具有成本低廉、加工性能好、可得到超薄質(zhì)輕的大面積柔性器件等優(yōu)點(diǎn)，因而備受人們關(guān)注。近年來聚合物太陽能電池的效率不斷提升，目前最高光電轉(zhuǎn)換效率已超過8％，非常接近10％的實(shí)用化目標(biāo)。然而聚合物太陽能電池普遍存在壽命短的問題，限制了它在實(shí)際中的應(yīng)用。在聚合物太陽能電池中，活性層與電極的界面接觸對(duì)器件性能和壽命有著非常重要的影響。因此開發(fā)

2、新型低成本可溶液加工的電極界面修飾材料，對(duì)于聚合物太陽能電池的實(shí)用化無疑具有非常重要的意義。
　　 作為世界上最薄的二維材料，石墨烯材料表現(xiàn)出許多獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)和力學(xué)性質(zhì)，這些性質(zhì)使得它在聚合物太陽能電池的電極界面修飾領(lǐng)域有著非常強(qiáng)大的應(yīng)用潛力。本論文成功合成了氧化石墨烯及其長(zhǎng)烷基鏈修飾的石墨烯衍生物，發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯能夠摻雜共軛聚合物表面并對(duì)摻雜機(jī)理進(jìn)行行了深入研究，設(shè)計(jì)了分別適用于反型結(jié)構(gòu)和正裝結(jié)構(gòu)聚合物太陽能電池的氧化石墨

3、烯基陽極界面修飾層，進(jìn)一步降低了器件的成本，提高了器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。另外，石墨烯材料獨(dú)特的柔性平面結(jié)構(gòu)還啟發(fā)我們將其作為構(gòu)筑單元，構(gòu)筑一維碳納米卷材料。
　　 論文第一章綜述了聚合物太陽能電池的原理和器件結(jié)構(gòu)，聚合物太陽能電池的研究進(jìn)展，以及石墨烯材料在聚合物太陽能電池中的應(yīng)用。
　　 論文第二章研究了氧化石墨烯對(duì)共軛聚合物的表面摻雜現(xiàn)象。研究表明氧化石墨烯片層含有大量的酸性官能團(tuán)，這些酸性基團(tuán)使得氧化石墨烯能夠摻雜典型

4、的共軛聚合物P3HT。表面。摻雜前P3HT薄膜表現(xiàn)出典型的p型半導(dǎo)體行為，而經(jīng)氧化石墨烯表面摻雜后，薄膜導(dǎo)電性高達(dá)3.70Sm-1，比未摻雜的P3HT提高了6個(gè)數(shù)量級(jí)，表現(xiàn)出類金屬的傳輸特性。在其他一些窄帶隙共軛聚合物中同樣觀察到了這種摻雜現(xiàn)象。
　　 論文第三章將氧化石墨烯用于反型聚合物太陽能電池的陽極界面修飾。我們發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯(～2.3nm)能夠促使P3HT：PCBM活性層與金屬陽極間形成歐姆接觸，使得電池性能達(dá)到甚至超

5、過基于PEDOT：PSS的對(duì)比器件。基于氧化石墨烯陽極修飾層的反型電池表現(xiàn)出優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性，未經(jīng)封裝的器件在干燥空氣中放置10天以上，電池仍能保持80％的原有效率。
　　 論文第四章將有機(jī)交聯(lián)空穴傳輸材料/氧化石墨烯雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)用于正裝結(jié)構(gòu)聚合物太陽能電池的陽極界面修飾。研究發(fā)現(xiàn)，與氧化石墨烯單層膜相比，雙層復(fù)合膜對(duì)電子的阻擋能力得到提高，從而使得PTPTBT：PC71BM電池效率從3.5％提高到了4.1％。AFM形貌研究表明