發(fā)布時(shí)間：2020-05-14 08:21

【摘要】：有機(jī)太陽能電池由于其質(zhì)量輕、柔性、可通過印刷制備大面積器件等優(yōu)點(diǎn),近些年來得到了廣泛的關(guān)注。然而,有機(jī)太陽能電池在大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化過程中仍面臨著一些問題:相比于硅太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池,有機(jī)太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率仍然偏低;有機(jī)太陽能電池加工中所使用的溶劑通常具有較高毒性。本論文以有機(jī)太陽能電池產(chǎn)業(yè)化過程中面臨的一些問題為出發(fā)點(diǎn),采用降低成本、提高效率的策略,并且在器件制備過程中采用綠色溶劑加工,以促進(jìn)有機(jī)太陽能電池的實(shí)用化展開研究工作。本論文主要分為以下四個(gè)部分:1.聚唾吩類材料具有合成簡單、廉價(jià)、可大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn),受到研究者的廣泛關(guān)注,但受限于其較窄的吸收光譜,當(dāng)使用富勒烯受體時(shí),能量轉(zhuǎn)換效率一直不高。在這個(gè)工作中,我們引入了非富勒烯小分子受體ITIC,其吸收光譜可以很好的與聚噻吩類材料互補(bǔ),因此我們分別采用了P3HT和我們組報(bào)道的PDCBT作為給體材料,制備了器件,相應(yīng)的,其能量轉(zhuǎn)換效率分別為1.25%和10.16%。通過透射電鏡、掠入式廣角X射線衍射等形貌表征手段說明了兩者效率造成差異的原因。2.疊層太陽能電池可以得到更高的能量轉(zhuǎn)換效率,基于本課題組開發(fā)的窄帶隙的受體材料(IEICO),我們制備了基于非富勒烯受體的疊層太陽能電池。相比于在此之前報(bào)道的后電池多采用的DPP類材料,IEICO表現(xiàn)出更優(yōu)異的性能,其可以同時(shí)提高后電池的開路電壓和短路電流密度。我們采用正向的器件結(jié)構(gòu),前電池采用本課題組報(bào)道的高效率聚合物給體材料(PBDD4T-2F),并使用ZnO/PCP-Na作為中間連接層,最終我們得到了12.8%的能量轉(zhuǎn)換效率,并且該效率得到了中國計(jì)量科學(xué)院(NIM)的認(rèn)證,這在當(dāng)時(shí)是世界最高的能量轉(zhuǎn)換效率。除了表現(xiàn)出較高的能量轉(zhuǎn)換效率,這篇報(bào)道還是在該領(lǐng)域里首次使用非富勒烯受體作為活性層后電池的報(bào)道,為以后制備高效率的疊層太陽能電池提供了重要的參考意義。3.為了降低器件制備過程中使用含鹵含芳香的溶劑對環(huán)境的污染和對人體的危害,我們探索了使用環(huán)境友好型的溶劑來加工制備高效率的有機(jī)太陽能電池器件。對于PBDB-T:IT-M體系,文獻(xiàn)報(bào)道其用氯苯加工可以達(dá)到～12%的能量轉(zhuǎn)換效率,但氯苯對環(huán)境及人的健康有較大危害,因此,我們選用四氫呋喃作為主溶劑進(jìn)行加工,但是器件顯示非常差的性能�；�于此,我們采用分子設(shè)計(jì)的方法實(shí)現(xiàn)了綠色溶劑的加工,首先,通過對烷基側(cè)鏈進(jìn)行修飾,設(shè)計(jì)合成了PBDB-T-BO,該材料可以很好的溶于四氫呋喃中,之后,為了增加共輒,設(shè)計(jì)合成了PBDB-BzT,該聚合物不但可以很好的溶于四氫呋喃中,并且以PBDB-BzT:IT-M活性層體系以四氫呋喃加工的器件可以達(dá)到12.1%的能量轉(zhuǎn)換效率,與PBDB-T:IT-M活性層體系以氯苯加工的器件可以達(dá)到相當(dāng)?shù)慕Y(jié)果,從而通過分子設(shè)計(jì)策略實(shí)現(xiàn)了電池的綠色溶劑加工。4.為了進(jìn)一步的提升開路電壓,進(jìn)而提高能量轉(zhuǎn)換效率,降低有機(jī)太陽能電池的非輻射能量損耗是一個(gè)很好的方法。在這個(gè)工作中,我們采用一種新的方法有效的降低了有機(jī)太陽能電池的非輻射能量損耗。我們設(shè)計(jì)合成了一種小分子材料NRM-1,通過將這種小分子加入到活性層PBDB-T:IT-4F體系中,可以有效提高體系的開路電壓,降低了電池的非輻射能量損耗,從而可以將效率提升13%以上。但這與傳統(tǒng)的三元體系不同,因?yàn)镹RM-1與PBDB-T和IT-4F均沒有電荷轉(zhuǎn)移發(fā)生,其是作為一種惰性成分存在于活性層中;并且通過紫外-可見吸收光譜(UV-Vis)、差示掃描量熱法(DSC)、X射線衍射(XRD)和AFM的分析得知,小分子NRM-1能與IT-4F很好的混合從而未產(chǎn)生相分離,但其與PBDB-T可以發(fā)生明顯的相分離。我們還將此方法應(yīng)用于其它六種體系,對于非富勒烯受體體系的太陽能電池,均能起到很好的效果,能有效的提升開路電壓,進(jìn)而提升能量轉(zhuǎn)換效率;但是對于富勒烯受體體系的太陽能電池,該方法不適用。這個(gè)工作是該領(lǐng)域首次報(bào)道的降低非輻射能量損失的方法,對于降低能量損失,提升開路電壓,進(jìn)而提高能量轉(zhuǎn)換效率有著重要的意義。
【圖文】：

１．１聚合物太陽能電池結(jié)構(gòu)及基本原理逡逑１．１．１聚合物太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)逡逑如圖１－２所示，聚合物太陽能電池主要由五部分組成：分別為透明導(dǎo)電逡逑基底、透明導(dǎo)電電極、光活性層（ＡｃｔｉｖｅＬａｙｅｒ）、金屬電極以及電極與活性層逡逑之間的界面修飾層（Ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ邋Ｂｕｆｆｅｒ邋Ｌａｙｅｒ）。其中，透明導(dǎo)電基底一般以氧逡逑化銦錫（ＩＴＯ）負(fù)載的玻璃或者柔性ＰＥＴ最為常用，金屬電極則主要包括鋁逡逑（Ａ１）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）等。這兩部分用來收集活性層產(chǎn)生的載流子形成逡逑光電壓和光電流。金屬電極以及電極與活性層之間的界面修飾層則起到了優(yōu)逡逑化界面功函數(shù)，從而改善活性層與電極之間的歐姆接觸，并且對調(diào)節(jié)光場分逡逑布以及器件的穩(wěn)定性起到了重要的作用ｎ５，１６］。目前，，做常用的Ｐ型修飾材料逡逑為聚３，邋４－乙烯二氧噻吩／聚苯乙烯磺酸鹽（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ），主要用于修飾ＩＴＯ逡逑透明電極以構(gòu)建正向結(jié)構(gòu)器件。Ｎ型修飾材料則為鈣（Ｃａ）、鎂（Ｍｇ）、ＺｎＯ、逡逑ＰＦＮ、ＰＦＮ－Ｂｒ等最為常用【１７

邐２０１５邐２０２０逡逑圖１－１聚合物太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率進(jìn)展圖（美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室逡逑２０１８年發(fā)布）逡逑１．１聚合物太陽能電池結(jié)構(gòu)及基本原理逡逑１．１．１聚合物太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)逡逑如圖１－２所示，聚合物太陽能電池主要由五部分組成：分別為透明導(dǎo)電逡逑基底、透明導(dǎo)電電極、光活性層（ＡｃｔｉｖｅＬａｙｅｒ）、金屬電極以及電極與活性層逡逑之間的界面修飾層（Ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ邋Ｂｕｆｆｅｒ邋Ｌａｙｅｒ）。其中，透明導(dǎo)電基底一般以氧逡逑化銦錫（ＩＴＯ）負(fù)載的玻璃或者柔性ＰＥＴ最為常用，金屬電極則主要包括鋁逡逑（Ａ１）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）等。這兩部分用來收集活性層產(chǎn)生的載流子形成逡逑光電壓和光電流。金屬電極以及電極與活性層之間的界面修飾層則起到了優(yōu)逡逑化界面功函數(shù)，從而改善活性層與電極之間的歐姆接觸，并且對調(diào)節(jié)光場分逡逑布以及器件的穩(wěn)定性起到了重要的作用ｎ５，１６］。目前，做常用的Ｐ型修飾材料逡逑為聚３，邋４－乙烯二氧噻吩／聚苯乙烯磺酸鹽（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ），主要用于修飾ＩＴＯ逡逑透明電極以構(gòu)建正向結(jié)構(gòu)器件。Ｎ型修飾材料則為鈣（Ｃａ）、鎂（Ｍｇ）、ＺｎＯ、逡逑ＰＦＮ、ＰＦＮ－Ｂｒ等最為常用【１７，?
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM615

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本文編號：2663070