高效穩(wěn)定的有機(jī)太陽(yáng)能電池的界面研究.pdf

1、有機(jī)太陽(yáng)能電池因其操作工藝簡(jiǎn)單、材料來(lái)源廣泛、能夠制備大面積柔性器件、生產(chǎn)成本低廉等而受到大家的廣泛關(guān)注。在現(xiàn)在能源匱乏的時(shí)代，有機(jī)太陽(yáng)能電池的研究對(duì)于新能源的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用具有重要意義和潛在價(jià)值。目前有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達(dá)到12.0％以上，但是還有很多問(wèn)題亟待解決，特別是有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性問(wèn)題；而且目前廣泛使用的界面材料大部分使用有機(jī)溶劑溶解，不利于生態(tài)環(huán)境的發(fā)展。有機(jī)無(wú)機(jī)雜化太陽(yáng)能電池效率雖然已經(jīng)達(dá)到20%，但是

2、還有很多問(wèn)題沒(méi)有研究清楚。為了解決這些問(wèn)題，我的研究工作旨在提高有機(jī)太陽(yáng)能電池的效率和穩(wěn)定性，并從環(huán)境保護(hù)的角度研究和開(kāi)發(fā)對(duì)環(huán)境友好的器件制備新工藝，以及從器件物理的角度加深對(duì)器件機(jī)理的理解。研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：
　　1.用去離子水作為“綠色”溶劑，制備了一系列的水溶性界面材料。這些材料成功地取代了PEDOT:PSS，提高了器件性能，特別是提高了聚合物太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性。我們制備的水溶性界面材料主要包括過(guò)渡金屬氧化物Mo

3、O3、V2O5，非過(guò)渡金屬氧化物GeO2等。用水溶性MoO3制備的器件效率和基于PEDOT:PSS的器件相當(dāng)，但是器件的穩(wěn)定性得到了很大的提高；而用V2O5和GeO2制備的器件的無(wú)論是效率還是穩(wěn)定性都比基于PEDOT:PSS的器件高。通過(guò)對(duì)器件光場(chǎng)分布的模擬計(jì)算，可以觀察到在模擬的V2O5和GeO2薄膜器件中，光場(chǎng)強(qiáng)度都很高。同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)基于水溶性的V2O5和 GeO2的器件復(fù)合率較小，載流子壽命較長(zhǎng)，而且和ITO的界面接觸電阻小。<

4、br>　　2. Cs2CO3由于其高電子注入能力，被廣泛運(yùn)用于有機(jī)電致發(fā)光器件中。Cs2CO3在極性溶劑中有很好的溶解度，可以進(jìn)行溶液加工。因此，我們用水溶性 MoO3和 Na2WO4對(duì) Cs2CO3進(jìn)行摻雜以調(diào)節(jié) Cs2CO3的能級(jí)。摻雜過(guò)后的陰極界面層被成功地運(yùn)用在P3HT和IC60BA體系的聚合物太陽(yáng)能電池中。和純的Cs2CO3相比，器件的Voc明顯升高了，器件的效率從3.27%提高到5.25%。我們用X-射線光電子能譜儀（XPS

5、）和紫外光電子能譜儀（UPS）對(duì)其能級(jí)進(jìn)行了進(jìn)一步探索。在水溶性MoO3和Na2WO4摻雜的Cs2CO3薄膜材料中，我們發(fā)現(xiàn)了新的物質(zhì)的生成即Cs的復(fù)合體材料：Cs-O-Mo和Cs-O-W。
　　3.在聚合物太陽(yáng)能電池中，活性層對(duì)太陽(yáng)光的吸收以及活性層中電子空穴的擴(kuò)散均對(duì)活性層厚度有要求，但兩者的要求不一樣。因此，我們需要控制活性層的厚度，使之在這兩方面能達(dá)到一個(gè)平衡。而金屬納米粒子的局域等離子共振可通過(guò)入射太陽(yáng)光和金屬粒子周圍電

6、磁場(chǎng)所引起的共振，在不需要增加活性層厚度的情況下來(lái)增強(qiáng)器件的Jsc。我們把金納米粒子和銀納米粒子摻雜在陰極界面層TiO2中，用反置的聚合物體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)來(lái)研究金納米粒子和銀納米粒子的局域等離子共振效應(yīng)。在TiO2中分別摻雜金納米粒子和銀納米粒子后，器件的開(kāi)路電壓基本保持不變，而器件的Jsc有所提高。在一定濃度的銀納米粒子摻雜后，器件的效率可提高到7.52%，比沒(méi)有摻雜的器件效率提高了20.7%。我們系統(tǒng)地研究了金納米粒子和銀納米粒子在器件

7、中的影響，包括金屬納米粒子的尺寸、表面形貌、穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)的光致發(fā)光譜、金屬納米粒子電場(chǎng)分布的理論計(jì)算等。
　　4.為了改善鈣鈦礦型材料CH3NH3PbI3的成膜情況，我們用兩步法對(duì)鈣鈦礦型材料進(jìn)行退火，所使用的溫度很低（60℃和90℃），退火時(shí)間不超過(guò)一個(gè)小時(shí)。而通常的文獻(xiàn)報(bào)道中，退火溫度都要達(dá)到100℃。如用更低的溫度退火時(shí)，制備出來(lái)的器件效果不好，且退火時(shí)間超過(guò)一個(gè)小時(shí)，有的甚至用兩個(gè)小時(shí)。采用我們的方法所制備出來(lái)的器件其性能得