有機太陽能電池界面過程的研究.pdf

1、有機太陽能電池由于成本低、輕薄柔軟、便于攜帶等優(yōu)點，成為目前研究的熱點。對界面過程的研究有利于提高有機太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率。如何通過界面修飾和分析界面過程提高有機太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率，成為研究者們關(guān)注的焦點。本論文從有機太陽能電池陽極與功能層界面的研究、界面電子和激子相互作用、界面激子復(fù)合過程以及對電極與電解液界面的研究等四個方面出發(fā)，討論了有機太陽能電池的界面過程。本論文主要分為以下幾部分:
　　第一章綜述簡要概述了太陽

2、能電池研究背景和意義、太陽能電池的分類。詳細(xì)介紹了有機太陽能電池研究現(xiàn)狀，主要從有機太陽能電池的材料選擇、結(jié)構(gòu)的研究、緩沖層三個方面進(jìn)行了論述。指出了目前有機太陽能電池界面過程產(chǎn)生光電流的研究所面臨的挑戰(zhàn)，最后介紹了本論文的提綱以及研究目的和創(chuàng)新之處。
　　第二章有機太陽能電池的制備以及測量本章主要介紹了本實驗室有機太陽能電池的制備過程以及主要的測量手段。在制備有機太陽能電池之前需對基片進(jìn)行清洗及前期處理。器件生長過程中是在高真空

3、制樣系統(tǒng)中采用分子束外延進(jìn)行的。有機太陽能電池的光電性能參數(shù)主要用Keithley2400和太陽光模擬器來測量電壓-電流曲線，通過單色儀系統(tǒng)來測量外量子效率，通過納秒激光器來測量瞬態(tài)的光電壓和光電流，有機材料的吸收譜是利用紫外可見分光光度計來測量得到的。
　　第三章有機太陽能電池陽極和功能層界面的研究我們在高真空條件下制備結(jié)構(gòu)為ITO/NPB/C60/Alq3/Al的單層有機太陽能電池。ITO與C60直接接觸時，C60中的電子和空

4、穴會退激發(fā)到ITO導(dǎo)帶，會導(dǎo)致界面復(fù)合，不利于界面激子拆分。當(dāng)在ITO與C60之間加入NPB后，C60中的電子無法越過NPB的最低未占有軌道（勢壘）。因此在內(nèi)建電場的作用下，電子會被鋁電極收集，而空穴會有效地被ITO電極收集。我們首次報道了加入NPB后能有效的抑制界面激子的復(fù)合，從而增加了界面激子拆分效率，使得單層有機太能電池的光電轉(zhuǎn)化效率提高到了0.414％。
　　第四章給體/受體界面電子和激子相互作用產(chǎn)生光電流的研究有機太陽能

5、電池中界面激子拆分可以產(chǎn)生光電流，因此在有機太陽能電池中界面激子和自由載流子是共存的。傳統(tǒng)有機太陽能電池的結(jié)構(gòu)是:ITO/CuPc/C60/Alq3/Al，一般認(rèn)為其光電流產(chǎn)生來源于界面激子拆分。然而我們發(fā)現(xiàn)了界面電子和激子的相互作用也可以產(chǎn)生光電流。我們設(shè)計并制備了結(jié)構(gòu)為ITO/CuPc/C60/MoO3/Al的有機太陽能電池的器件，通過對能級圖的分析得出到達(dá)CuPc和C60的界面的電子與CuPc中的激子相互作用產(chǎn)生了光電流。當(dāng)加入5

6、50納米的長波通濾光片之后，與傳統(tǒng)的器件相比其電流幾乎為0，說明了存在著位移電流，而位移電流的產(chǎn)生來源于CuPc和C60界面激子的拆分。通過分析I-V曲線，瞬態(tài)電壓和EQE等得到了ITO/CuP c/C60/MoO3/Al器件光電流的產(chǎn)生不同于傳統(tǒng)有機電池的結(jié)論，它的光電流來源于電子-激子的相互作用。我們首次在有機太陽能電池中發(fā)現(xiàn)了電子-激子的相互作用可以產(chǎn)生光電流。
　　第五章在N-N型有機太陽能電池中界面激子復(fù)合的研究通常認(rèn)為

7、在有機太陽能電池中界面激子拆分是有利的，而界面激子復(fù)合對光電轉(zhuǎn)化效率的提高是不利的。因此有效調(diào)控界面激子的拆分和復(fù)合對提高有機太陽能電池的效率起到關(guān)鍵作用。我們制備了結(jié)構(gòu)為ITO/F16ZnPc/C60/Alq3/MoO3/Al的有機太陽能電池，通過改變內(nèi)建電場的方向，有效調(diào)控了界面激子的拆分和復(fù)合。通過光照強度與電功率的線性關(guān)系驗證了激子在F16ZnPc/C60界面存在激子的復(fù)合作用，而且激子的復(fù)合也可以產(chǎn)生光電流。說明在有機太陽能電

8、池中激子的拆分和復(fù)合是同時存在的。我們發(fā)現(xiàn)了在由兩種N型材料(F16ZnPc和C60)構(gòu)成的有機太陽能電池中，可以通過內(nèi)建電場來調(diào)節(jié)激子的拆分和復(fù)合幾率。
　　第六章石墨烯量子點摻雜聚吡咯對在電解液界面處催化性能提高的研究我們通過電化學(xué)沉積制備了石墨烯量子點摻雜聚吡咯并用作染料敏化太陽能電池的對電極。通過分析SEM圖可以看出石墨烯量子點摻雜聚吡咯有多孔結(jié)構(gòu)，與未摻雜樣品相比其催化面積大大增加。通過分析循環(huán)伏安法和阻抗曲線得出在對電