新材料聚合物太陽(yáng)能電池及反型結(jié)構(gòu)器件的研究.pdf_第1頁(yè)
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1、1986年,C.W.Tang首次提出了雙層結(jié)構(gòu)有機(jī)太陽(yáng)能電池;1995年,Heeger提出了體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的概念,開(kāi)啟了有機(jī)太陽(yáng)能電池快速發(fā)展的時(shí)代;2012年,有機(jī)太陽(yáng)能電池能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10%,表現(xiàn)出極大的應(yīng)用前景。目前,有機(jī)太陽(yáng)能電池在光電轉(zhuǎn)換效率及穩(wěn)定性方面還不能與傳統(tǒng)無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池相媲美,因此在進(jìn)一步的研究中必須克服這兩大問(wèn)題。1)合成新型窄帶隙聚合物材料被認(rèn)為是提高有機(jī)太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率的最有效方法;2)反型結(jié)構(gòu)有

2、機(jī)太陽(yáng)能電池可以避免PEDOT:PSS對(duì)ITO的腐蝕及低功函數(shù)金屬電極在空氣中容易被氧化等缺點(diǎn)而大大提高器件的穩(wěn)定性。本文基于這兩方面考慮,對(duì)新型聚合物材料F8T2的發(fā)光與光伏特性進(jìn)行了研究,在基于結(jié)構(gòu)為ITO/Cs2CO3/P3HT:PCBM/MoO3/Al的反型有機(jī)太陽(yáng)能電池中研究了不同退火方式對(duì)器件性能的影響。通過(guò)兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:1)F8T2是一種良好的給體材料,其較低的HOMO能級(jí)決定了器件具有較高的開(kāi)路電壓;2)在反型聚合物

3、太陽(yáng)能電池中,對(duì)P3HT:PCBM和MoO3進(jìn)行兩次退火可以有效提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率。
  首先,分別基于ITO/PEDOT:PSS/F8T2/Bphen/LiF(0 or1 nm)/Al和ITO/PEDOT:PSS/F8T2/Bphen/Al兩種器件結(jié)構(gòu)研究了F8T2的發(fā)光與光伏特性。F8T2在驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)到15V時(shí)發(fā)出亮度達(dá)到45μW明亮的黃光,與其光致光譜一致。F8T2對(duì)400-500nm波長(zhǎng)的太陽(yáng)光有較強(qiáng)的吸收,其吸收邊在

4、560nm,與P3HT相比要短一些。在F8T2中摻入少量PCBM后,其光致發(fā)光光譜發(fā)生了明顯的猝滅,這說(shuō)明激子在F8T2與PCBM的界面被有效解離。以F8T2:PCBM為有源層的光伏器件的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到0.1%,開(kāi)路電壓為0.91V,短路電流密度為0.23mA/cm2。為了擴(kuò)展有源層對(duì)光譜的響應(yīng)范圍,制備了以F8T2:P3HT:PCBM為有源層的雙給體聚合物太陽(yáng)能電池,其光電轉(zhuǎn)換效率被提高到0.9%,Voc和Jsc分別為0.85V和3

5、.02mA/cm2。
  其次,以Cs2CO3修飾ITO作為陰極MoO3修飾Al作為陽(yáng)極,制備了反型結(jié)構(gòu)有機(jī)太陽(yáng)能電池,將Cs2CO3溶解于乙二醇乙醚溶劑中并旋涂于ITO表面,對(duì)其進(jìn)行SEM表征后發(fā)現(xiàn)了雪花狀表面形貌,退火后平面雪花狀結(jié)構(gòu)變?yōu)槿S立體結(jié)構(gòu)。對(duì)反型聚合物太陽(yáng)能電池的有源層和MoO3層分別進(jìn)行退火后,器件的光電轉(zhuǎn)化效率接近2%,開(kāi)路電壓為0.57V,短路電流密度為8.8mA/cm2,填充因子為38.7%。對(duì)退火前后的有

6、源層進(jìn)行了吸收光譜、X射線衍射及AFM表面形貌等進(jìn)行了表征,探討了不同退火方式對(duì)提高反型聚合物太陽(yáng)能電池性能的相關(guān)機(jī)理。對(duì)蒸鍍完Al電極的器件進(jìn)行第三次退火,發(fā)現(xiàn)器件的性能出現(xiàn)了大幅衰減,這可能是由于Al原子滲透進(jìn)MoO3中形成了新的電子傳輸通道,將不利于載流子的收集,器件的短路電流密度由8.8mA/cm2降低到4.6mA/cm2,使器件的性能有很大降低。鍵詞:反型結(jié)構(gòu);聚合物太陽(yáng)能電池;窄帶隙聚合物材料F8T2;P3HT:PCBM;退

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