聚合物基光伏體系的設(shè)計(jì)優(yōu)化及相形貌研究.pdf

1、進(jìn)入二十一世紀(jì)以來,面臨煤、石油等傳統(tǒng)非可再生資源逐漸枯竭的危機(jī),新能源的開發(fā)和利用已成為影響人類文明延續(xù)與發(fā)展的關(guān)鍵問題。太陽能光伏電池,作為一種新興的將可再生清潔太陽能直接轉(zhuǎn)化為可存儲(chǔ)便攜電能的重要手段,其應(yīng)用和普及卻始終受制于傳統(tǒng)硅基器件成本高,工藝復(fù)雜等缺陷。相對(duì)而言,有機(jī)及聚合物材料不僅成本低廉,種類繁多,而且擁有適合大面積生產(chǎn)的柔性特質(zhì),因而在全球范圍內(nèi)受到人們的廣泛關(guān)注。其中聚合物太陽能電池近些年更是發(fā)展迅速,能量轉(zhuǎn)換效率

2、節(jié)節(jié)攀升,目前最高可達(dá)7.73％,產(chǎn)業(yè)化道路十分光明。盡管如此,現(xiàn)實(shí)與目標(biāo)仍有一定的距離:一方面,材料和工藝上的種種限制因素造成聚合物光伏器件的總體性能依然偏低,競(jìng)爭力有限；另一方面,有機(jī)光伏的物理機(jī)理至今尚未明確,體系內(nèi)部電荷從產(chǎn)生、分離到傳輸、收集等一系列變化過程的規(guī)律尚有待深入了解,這就使得理論層次指導(dǎo)下的光伏材料的合成和器件工藝的優(yōu)化變得尤為困難。本論文便以此為著眼點(diǎn)展開工作,通過對(duì)聚合物基光伏材料體系的設(shè)計(jì)和薄膜相形貌的調(diào)控改

3、善制約器件性能的不利因素,以獲得更高的能量轉(zhuǎn)換效率；同時(shí)在工藝優(yōu)化的過程中對(duì)器件的光物理及傳輸物理機(jī)理展開深入的研究,為進(jìn)一步提高器件性能提供理論上的指導(dǎo)和支持。
　　 論文的第一章綜述了有機(jī)及聚合物太陽能電池材料和器件的研究進(jìn)展。
　　 論文的第二章以聚合物/富勒烯光伏體系為設(shè)計(jì)優(yōu)化的主要目標(biāo),通過給受體共聚分子內(nèi)橋基單元的變化調(diào)節(jié)聚合物的帶隙,獲得了兩種新型的雙吡咯酮基中帶隙給受體聚合物材料PCPDT-PDPP(1.

4、76 eV)和PDTP-PDPP(1.69 eV),并應(yīng)用于本體異質(zhì)結(jié)光伏器件中。由于能帶調(diào)控對(duì)開路電壓和短路電流平衡性的優(yōu)化,基于這兩種材料的光伏器件在沒有進(jìn)行陰極界面修飾和后處理的情況下,分別獲得了2.03％和1.32％的能量轉(zhuǎn)換效率。針對(duì)兩種光伏器件不同的優(yōu)化組分比例,系統(tǒng)研究了體相組成對(duì)薄膜形貌及器件重要光電物理過程(吸收、分離、傳輸)的影響,并給出了分子水平上的解釋。
　　 論文的第三章以聚合物/聚合物光伏體系為設(shè)計(jì)優(yōu)

5、化的主要目標(biāo),通過材料甄選和能級(jí)匹配,制備了具有超高開路電壓(>1.5V)的聚乙烯基咔唑/[9,9]雙辛基芴交替苯并噻二唑全聚合物太陽能電池,并利用AFM、PL等手段研究了全聚合物體系相形貌的變化對(duì)光伏性能的影響,結(jié)果表明,大尺度相分離所帶來的低激子分離效率是制約該體系光伏性能的首要因素；首次發(fā)現(xiàn)全聚合物光伏體系獨(dú)特的高溫二次相形貌轉(zhuǎn)變行為,這為以同時(shí)提高本體異質(zhì)結(jié)中電荷分離與傳輸效率為目標(biāo)的相形貌優(yōu)化工作提供了新的手段和思路。

6、　　 論文的第四章以聚合物/無機(jī)納米材料光伏體系為設(shè)計(jì)優(yōu)化的主要目標(biāo),利用簡單濕法化學(xué)對(duì)一維碳納米管表面進(jìn)行了零維硅量子點(diǎn)的共價(jià)修飾,制備了新型多維無機(jī)納米材料Si@MWCNT,并通過與聚噻吩給體的復(fù)合制備了雜化太陽能電池器件.研究顯示,這種新型的光伏體系在同等條件下比單純的聚合物/碳納米管或聚合物/硅量子點(diǎn)電池的能量轉(zhuǎn)換效率分別提高了20倍和4倍。穩(wěn)態(tài).瞬態(tài)熒光光譜分析表明,性能提高的主要原因是多維無機(jī)納米材料的功能一體化特質(zhì)能同時(shí)

7、改善電荷的產(chǎn)生和傳輸。
　　 論文的第五章研究一種用于有機(jī)光伏器件界面優(yōu)化的特殊材料:有機(jī)電摻雜材料的傳輸行為及機(jī)理.通過真空共蒸發(fā)法制備的新型吸電子材料氟代苝酰亞胺摻雜的酞菁鋅薄膜,其傳輸和電導(dǎo)能力有了大幅提高,并且輕摻狀況下的效果最為明顯。X射線光電子能譜發(fā)現(xiàn),兩種材料間的基態(tài)電子轉(zhuǎn)移是摻雜作用的基本原理；紫外光電子能譜和理論模型分析則進(jìn)一步表明,復(fù)合材料在輕摻狀態(tài)下優(yōu)異的傳輸能力歸因于其較高的本體電導(dǎo)率和較低的界面注入勢(shì)壘