有機太陽能電池的理論模擬及旋涂／靜電噴霧法制備.pdf

1、隨著人類對能源的需求和消耗不斷增加，研發(fā)清潔、綠色且低成本的新能源具有重要意義。有機太陽能電池（OSC）生產成本低、可制備成柔性和便攜式器件，并具有卷對卷生產的潛力，是新能源領域最富發(fā)展前景的研究方向之一。為進一步提高OSC器件效率，并促進有機太陽能電池的實用化進程，當前對OSC器件的研究主要集中在四個方面：開發(fā)具有寬光譜、高載流子遷移率的活性材料；通過理論模擬優(yōu)化器件結構；采用電極修飾材料提高電荷傳輸和收集效率；研究能夠制備柔性基底／

2、大面積器件的生產制備方法。本文主要對OSC器件的理論模擬、電極修飾，以及靜電噴霧法制備進行了研究。
　　對OSC器件的光電轉換過程建立理論模型進行仿真模擬，將理論仿真結果與器件實驗結果相結合，將有助于理解器件工作機理，優(yōu)化器件結構設計，指導器件實驗的方向。理論模擬方面，本文通過理論模型和數值模擬對器件進行分析與設計。首先根據光學模型和電學模型，設計出能夠對OSC器件中電磁場分布和器件效率進行仿真計算的軟件系統(tǒng)。通過理論模擬對平面異

3、質結有機太陽能電池的結構進行優(yōu)化設計，從理論上得到了給體、受體和陰極緩沖層的優(yōu)化厚度，以及器件中光強分布隨各層薄膜厚度的變化規(guī)律。通過與器件實驗結果相比較，分析了基于CuPc/C60的雙層異質結OSC器件性能與結構之間的關系。所用的分析方法具有創(chuàng)新性，該方法及所設計的軟件系統(tǒng)可應用于具有不同材料、不同結構活性層的OSC器件結構設計和性能仿真，對于OSC器件工作機理的理解和實驗結果預測都具有重要意義。
　　采用旋涂法制備器件活性層，

4、并首次采用Zn4O(AID)6材料作為基于P3HT：PCBM的本體異質結器件的陰極修飾層，實驗證明該材料可有效提高器件效率達70％。將實驗結果與光學模擬結果相結合，分析了該陰極修飾層能夠提高器件效率的原因。結果表明Zn4O(AID)6可用來對OSC器件的陰極進行修飾，同時，理論模擬可作為探究OSC器件工作機理的有效工具。
　　同旋涂法相比，靜電噴霧（ES）法具有工藝過程可控、可實現自組裝納米結構、成本低、材料浪費少等優(yōu)點，且易于制

5、備大面積和柔性基底的器件，對未來OPV的實用化和產業(yè)化具有重大意義。利用靜電噴霧法制備有機太陽能電池活性層，并對所用的溶劑體系進行了優(yōu)化。首次以醋酸作為添加劑，用靜電噴霧法制備有機太陽能電池器件中P3HT:PCBM活性層。通過對活性層形貌和器件性能進行表征分析，結果表明以醋酸做為添加劑制備的器件優(yōu)于其他添加劑，并得到了最佳配比的溶劑體系，制備出器件的效率（2.99±0.08%）與旋涂法制備的器件效率（3.12±0.09%）接近，顯著高于

6、在空氣中旋涂制備活性層的器件效率（2.44±0.12%）。對ES法制備的器件和旋涂法制備的器件進行了穩(wěn)定性比較，結果表明ES制備的器件在空氣中更加穩(wěn)定。
　　系統(tǒng)研究了靜電噴霧法的工藝過程對活性層形貌和器件性能的影響。首先推導出了靜電噴霧的霧滴蒸發(fā)過程的Damkh?ler參數顯式表達式。然后，通過調節(jié) ES過程的流量和基板溫度，改變與溶劑揮發(fā)速度有關的Damkh?ler參數，控制活性層形貌。得到了為形成有利于光伏效應的活性層，Da

7、mkh?ler參數應滿足的條件，以及相應的ES工藝參數。并對ES法制備的活性層厚度進行了優(yōu)化研究。在溶劑系統(tǒng)和工藝參數優(yōu)化的條件下，在空氣中用 ES法制備出的器件效率（3.09±0.11%）與旋涂法在氮氣環(huán)境制備的器件效率接近。研究結果表明ES法可以取代旋涂法來制備OSC器件，并且可以通過對ES工藝過程參數的調節(jié)來有效控制活性層形貌。最后，利用靜電噴霧法制備出具有復雜結構活性層的OSC器件，其中具有多層結構活性層的器件效率達3.23±0