三元有機(jī)太陽能電池的制備及機(jī)理研究.pdf

1、作為一種清潔的可再生能源技術(shù)，有機(jī)太陽能電池具有成本低，質(zhì)量輕，柔性，可大面積制備和原材料豐富等獨(dú)特優(yōu)勢，成為近年來國內(nèi)外能源器件研究和光電材料研究的前沿和熱點(diǎn)。當(dāng)前，進(jìn)一步提升器件的性能仍是有機(jī)太陽能電池的研究焦點(diǎn)。本論文主要以增強(qiáng)有源層的光子俘獲為切入點(diǎn)，利用三元策略提高有機(jī)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，并澄清其相關(guān)工作機(jī)理。通過甄選材料增強(qiáng)有源層的光子俘獲能力及擴(kuò)展光子俘獲范圍;通過對有源層及器件的光學(xué)、光譜學(xué)、形貌學(xué)、電學(xué)等方面的表

2、征，澄清器件的工作機(jī)理。為制備出高效率三元有機(jī)太陽能電池在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、材料甄選、工藝優(yōu)化、機(jī)理研究等方面提供了豐富的實(shí)驗(yàn)依據(jù)和理論分析。本論文的主要結(jié)果和創(chuàng)新點(diǎn)可歸納為:
　　(1)研究了不同體系的三元有機(jī)太陽能電池，初步掌握了材料物性，制備工藝，工作機(jī)理與器件性能之間的關(guān)系。吸收光譜互補(bǔ)是設(shè)計(jì)三元有機(jī)太陽能電池的首要條件。高消光系數(shù)，高載流子遷移率，與主體系材料能級匹配，兼容性好是甄選第三組分材料的重要條件?；陔p給體:富勒烯受體

3、體系，證明了中等帶隙:窄帶系雙給體組合較寬帶隙:中等帶隙組合具有明顯的優(yōu)勢。
　　(2)提出了通過研究雙給體器件與單給體器件（無受體）在光照條件下JSC的關(guān)系，結(jié)合給體溶液和薄膜的PL光譜隨第三組分摻雜比例變化的規(guī)律，揭示雙給體材料間是以能量傳遞工作機(jī)理為主，還是以電荷轉(zhuǎn)移工作機(jī)理為主?；赑3HT∶SMPV1雙給體組合，以P3HT∶SMPV1為有源層器件的JSC遠(yuǎn)高于以P3HT或SMPV1為有源層的器件的值，說明雙給體材料間以電

4、荷轉(zhuǎn)移為主。
　　(3)提出通過研究在特定波段光照下，器件的光伏參數(shù)隨第三組分摻雜比例的變化規(guī)律，揭示三元體系中載流子輸運(yùn)的動力學(xué)過程。以PCDTBT∶SQ∶PC71BM為例，在J-V測試過程中，利用截止濾光片僅使波長超過670nm的太陽光照射器件，根據(jù)材料的吸收光譜，這一波段的光子主要被有源層中的SQ俘獲。在這種情況下，三元有機(jī)太陽能電池的FF明顯高于SQ∶PC71BM器件的值;當(dāng)SQ在給體中的比例達(dá)到50％時(shí)，三元電池的JSC

5、甚至高于SQ∶PC71BM器件的值;當(dāng)SQ在給體中的比例逐漸增加時(shí)，三元器件的VOC幾乎保持不變，其與PCDTBT∶PC71BM器件的開路電壓值相近。三元器件三個光伏參數(shù)的變化表明SQ上的空穴可以有效地轉(zhuǎn)移到PCDTBT上，然后借助于PCDTBT形成的空穴傳輸通道去傳輸。
　　(4)系統(tǒng)研地究了小分子三元有機(jī)太陽能電池，提出了通過研究平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)器件的EQE光譜來探究雙給體材料間能量傳遞與載流子輸運(yùn)的動力學(xué)過程。通過選用兼容性較

6、好的DRCN5T和DR3TS BDT兩種小分子給體材料，制備出效率達(dá)到了10.16％的三元小分子有機(jī)太陽能電池，這是目前三元小分子有機(jī)太陽能電池效率的最高值之一。通過對共混薄膜形貌，材料HOMO能級和器件VOC的系統(tǒng)研究，證明了該三元有機(jī)太陽能電池的主要工作機(jī)理為合金模型。通過優(yōu)化摻雜比例可增強(qiáng)光子俘獲、且形成良好的給受體互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?；诤辖鹉Ｐ偷男》肿尤袡C(jī)太陽能電池為材料甄選提供了一定的參考依據(jù)。
　　(5)報(bào)道了基于雙非

7、富勒烯受體的三元有機(jī)太陽能電池。將聚合物受體材料N2200分別摻入到PBDB-T∶ITIC，PBDB-T∶ITIC-Th，PBDB-T∶IT-M二元體系中，三種體系的三元有機(jī)太陽能電池的效率均超過了其二元器件效率的值。其中基于PBDB-T∶IT-MN2200體系的三元有機(jī)太陽能電池的效率達(dá)到了12.01％，這是目前非富勒烯三元有機(jī)太陽能電池效率的最高值之一。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了聚合物受體可以作為第三組分優(yōu)化材料提高有機(jī)太陽能電池的效率，擴(kuò)展了