有機(jī)太陽(yáng)能電池的理論模擬及旋涂／靜電噴霧法制備.pdf

1、隨著人類(lèi)對(duì)能源的需求和消耗不斷增加，研發(fā)清潔、綠色且低成本的新能源具有重要意義。有機(jī)太陽(yáng)能電池（OSC）生產(chǎn)成本低、可制備成柔性和便攜式器件，并具有卷對(duì)卷生產(chǎn)的潛力，是新能源領(lǐng)域最富發(fā)展前景的研究方向之一。為進(jìn)一步提高OSC器件效率，并促進(jìn)有機(jī)太陽(yáng)能電池的實(shí)用化進(jìn)程，當(dāng)前對(duì)OSC器件的研究主要集中在四個(gè)方面：開(kāi)發(fā)具有寬光譜、高載流子遷移率的活性材料；通過(guò)理論模擬優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)；采用電極修飾材料提高電荷傳輸和收集效率；研究能夠制備柔性基底／

2、大面積器件的生產(chǎn)制備方法。本文主要對(duì)OSC器件的理論模擬、電極修飾，以及靜電噴霧法制備進(jìn)行了研究。
　　對(duì)OSC器件的光電轉(zhuǎn)換過(guò)程建立理論模型進(jìn)行仿真模擬，將理論仿真結(jié)果與器件實(shí)驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合，將有助于理解器件工作機(jī)理，優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，指導(dǎo)器件實(shí)驗(yàn)的方向。理論模擬方面，本文通過(guò)理論模型和數(shù)值模擬對(duì)器件進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。首先根據(jù)光學(xué)模型和電學(xué)模型，設(shè)計(jì)出能夠?qū)SC器件中電磁場(chǎng)分布和器件效率進(jìn)行仿真計(jì)算的軟件系統(tǒng)。通過(guò)理論模擬對(duì)平面異

3、質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從理論上得到了給體、受體和陰極緩沖層的優(yōu)化厚度，以及器件中光強(qiáng)分布隨各層薄膜厚度的變化規(guī)律。通過(guò)與器件實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，分析了基于CuPc/C60的雙層異質(zhì)結(jié)OSC器件性能與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。所用的分析方法具有創(chuàng)新性，該方法及所設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)可應(yīng)用于具有不同材料、不同結(jié)構(gòu)活性層的OSC器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能仿真，對(duì)于OSC器件工作機(jī)理的理解和實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)都具有重要意義。
　　采用旋涂法制備器件活性層，

4、并首次采用Zn4O(AID)6材料作為基于P3HT：PCBM的本體異質(zhì)結(jié)器件的陰極修飾層，實(shí)驗(yàn)證明該材料可有效提高器件效率達(dá)70％。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與光學(xué)模擬結(jié)果相結(jié)合，分析了該陰極修飾層能夠提高器件效率的原因。結(jié)果表明Zn4O(AID)6可用來(lái)對(duì)OSC器件的陰極進(jìn)行修飾，同時(shí)，理論模擬可作為探究OSC器件工作機(jī)理的有效工具。
　　同旋涂法相比，靜電噴霧（ES）法具有工藝過(guò)程可控、可實(shí)現(xiàn)自組裝納米結(jié)構(gòu)、成本低、材料浪費(fèi)少等優(yōu)點(diǎn)，且易于制

5、備大面積和柔性基底的器件，對(duì)未來(lái)OPV的實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化具有重大意義。利用靜電噴霧法制備有機(jī)太陽(yáng)能電池活性層，并對(duì)所用的溶劑體系進(jìn)行了優(yōu)化。首次以醋酸作為添加劑，用靜電噴霧法制備有機(jī)太陽(yáng)能電池器件中P3HT:PCBM活性層。通過(guò)對(duì)活性層形貌和器件性能進(jìn)行表征分析，結(jié)果表明以醋酸做為添加劑制備的器件優(yōu)于其他添加劑，并得到了最佳配比的溶劑體系，制備出器件的效率（2.99±0.08%）與旋涂法制備的器件效率（3.12±0.09%）接近，顯著高于

6、在空氣中旋涂制備活性層的器件效率（2.44±0.12%）。對(duì)ES法制備的器件和旋涂法制備的器件進(jìn)行了穩(wěn)定性比較，結(jié)果表明ES制備的器件在空氣中更加穩(wěn)定。
　　系統(tǒng)研究了靜電噴霧法的工藝過(guò)程對(duì)活性層形貌和器件性能的影響。首先推導(dǎo)出了靜電噴霧的霧滴蒸發(fā)過(guò)程的Damkh?ler參數(shù)顯式表達(dá)式。然后，通過(guò)調(diào)節(jié) ES過(guò)程的流量和基板溫度，改變與溶劑揮發(fā)速度有關(guān)的Damkh?ler參數(shù)，控制活性層形貌。得到了為形成有利于光伏效應(yīng)的活性層，Da

7、mkh?ler參數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足的條件，以及相應(yīng)的ES工藝參數(shù)。并對(duì)ES法制備的活性層厚度進(jìn)行了優(yōu)化研究。在溶劑系統(tǒng)和工藝參數(shù)優(yōu)化的條件下，在空氣中用 ES法制備出的器件效率（3.09±0.11%）與旋涂法在氮?dú)猸h(huán)境制備的器件效率接近。研究結(jié)果表明ES法可以取代旋涂法來(lái)制備OSC器件，并且可以通過(guò)對(duì)ES工藝過(guò)程參數(shù)的調(diào)節(jié)來(lái)有效控制活性層形貌。最后，利用靜電噴霧法制備出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)活性層的OSC器件，其中具有多層結(jié)構(gòu)活性層的器件效率達(dá)3.23±0