论文部分内容阅读
本文旨在探究提高聚合物叠层太阳能电池的光电转换效率的方法和机理。首先,本文从组成串联叠层太阳能电池中间层的界面修饰层材料入手,进而设计和制备性能优异的中间层;接着,本文通过研究组成子电池的活性层材料的组分分布,来确定合适的器件结构,进而设计具有合适结构的叠层太阳能电池。本文研究的内容主要包括四个方面:1)在室温条件下将异丙醇锆(Ⅳ)(Zr[OCH(CH3)2]4,ZrIPO)的异丙醇溶液旋涂在光感活性层上且无需任何后处理即可制得ZrIPO阴极修饰层,方法简单易行,将其插在A1阴极和活性层之间制备具有正向结构的聚合物太阳能电池。当采用 ZrIPO/Al代替传统的Ca/Al作为聚合物太阳能电池的阴极时,短路电流能够得到显著提升,同时串联电阻也得到降低。当活性层体系为P3HT:PC60BM的太阳能电池采用ZrIPO/Al阴极时,在标准光照条件(AM 1.5G,100mW/cm2)下测得的光电转换效率达到4.47%,明显高于具有相同活性层但采用Ca/Al阴极的太阳能电池的光电转换效率(3.69%)。当太阳能电池选用具有较宽吸收范围的给体材料PBDTBDD时,用ZrIPO/Al作阴极可以实现高达8.07%的光电转换效率;这一结果表明对于高效聚合物太阳能电池,ZrIPO是替代传统低功函碱二土金属的一个很有潜力的电子传输层材料。2)用可溶液加工的二异丙氧基双乙酰丙酮钛(TIPD)作为太阳能电池的阴极修饰层,采用具有互补吸收的聚合物给体PBDTBDD和非富勒烯受体ITIC-M作为吸光层的材料,制备出反向单结太阳能电池,通过研究活性层的表面电势,形貌,水接触角,飞行时间二次离子质谱等,探究提升太阳能电池短路电流增加的机理,进而了解提高光电转换效率的方法。活性层PBDTBDD:ITIC-M中,PBDTBDD集中分布在活性层上方,ITIC-M分布在活性层下方,适合用于反向结构的器件中。通过制备以TIPD为电子传输层的反向结构器件,和基于PEDOTPSS的正向结构器件,对比发现具有TIPD电子传输层的反向器件的光电转换效率达到11.69%,比正向结构器件9.67%的效率高出20.89%。另外反向结构的设计,避免了采用正向结构中常用的水氧敏感的Ca/Al电极,可以有效提高太阳能电池的稳定性。3)在上述界面修饰层和活性层的研究基础上,我们进一步将TIPD应用在反向结构的叠层太阳能电池中。为简化优化步骤,在前后结子电池中采用了相等的活性层材料PTB7-Th:PC7GBM制备叠层器件,通过调整活性层厚度和中间层TIPD的退火时长,探究叠层结构的器件同时采用TIPD作阴极修饰层和中间层电子传输层的可行性,同时验证叠层结构的太阳能电池对于光电转换效率的提高升作用。研究结果表明以TIPD同时作为阴极修饰层和中间层电子传输层制备的串联叠层太阳能电池的光电转换效率可以提升至8.11%,并且实现了串联叠层太阳能电池的开路电压等于前后两个子电池的电压之和。4)为了充分利用不同波段的入射光子的方法以达到提高太阳能电池效率的目的,本文通过采用具有不同吸收光谱范围的活性层,设计和制备了串联叠层太阳能电池。此处,通过利用富勒烯受体PCBM在短波段的吸收优势,和非富勒烯受体IEICO-4F在长波段的吸收优势,本文设计和制备出了基于富勒烯和非富勒烯受体的具有互补吸收功能的反向串联叠层太阳能电池,其结构为ITO/TIPD/PBDTBDD:PC71BM/MoO3/Ag/PFN-Br/PTB7-Th:IEICO-4F/MoO3/Al。研究发现发现超薄Ag插入ITO和PFN-Br之间可以改善单结太阳能电池的填充因子,而串联叠层太阳能电池已可以实现9.74%的光电转换效率。实现了 1.503 V的开路电压,等于前结子电池和后结子电池的开路电压之和。通过采用富勒烯基和非富勒烯基活性层,本文设计和制备了高效、稳定的聚合物叠层太阳能电池并对其进行了深入研究。通过制备后结单结电池,研究发现ITO/PFN-Br不能单独作为阴极用于反向结构的太阳能电池;但插入一层Ag之后,ITO/Ag/PFN-Br作为阴极可以大幅改善器件的开路电压和填充因子。这样的研究将有助于深入认识聚合物叠层太阳能电池中间电极的物理作用机制,有助于深入认识叠层电池子电池材料的表面和中间电极材料的界面特性,有助于深入理解中间电极界面层的特性与器件光伏性能的关系,也为进一步提高聚合物叠层太阳能电池的光电转换效率打下坚实基础。