高效聚合物和硫化铅胶体量子点太阳电池及其光电性能的研究

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从太阳光中直接获取能量的光伏技术被认为是最有潜力解决能源危机的方法之一。尽管传统无机太阳电池已经取得了巨大的进步和发展,但原材料价格昂贵和生产成本较高限制了其大规模应用。近年来,以聚合物太阳电池和胶体量子点太阳电池为代表的新型太阳电池技术引起了学术界和工业界的广泛关注。通过改变聚合物材料的分子结构,能够调节材料的带隙和载流子迁移率等参数,使得聚合物太阳电池的材料选择范围更加广泛。通过改变量子点的尺寸、形状、组分和聚集形态可以对其电学和光学性质进行调节,使得胶体量子点太阳电池能够吸收利用太阳光谱中的可见光和红外光。这两种新型太阳电池技术同时都具备溶液加工、制备工艺简单、低成本和可制备大面积柔性器件等优点,已经成为光电材料与器件领域的研究热点。目前溶液加工的聚合物太阳电池和胶体量子点太阳电池的最高能量转换效率分别达到了10.6%和7.4%,但距离实际应用仍然有一段距离。本博士学位论文的工作主要包括基于低温溶液加工方式制备的高效率柔性聚合物太阳电池和PbS胶体量子点太阳电池及其光电性能研究,同时研究了溶剂处理方法对聚合物太阳电池的活性层形貌和光伏性能的影响,为采用溶液加工方式制备低成本的新型太阳电池技术提供有价值的参考。在第一部分工作中,我们采用倒置器件结构,获得了能量转换效率为8.71%的高效柔性聚合物太阳电池,器件的短路电流达到17.9mA cm-2,开路电压达到0.74V,填充因子为65.9%。这一结果得到了国家光伏质检中心的独立认证,是目前文献公开报道的最高效率。研究发现,醇溶性聚合物聚[(9,9-二(3’-(N,N-二甲基胺)丙基)-2,7-芴)-alt-2,7-(9,9-二辛基芴)](PFN)可以降低聚对苯二甲酸乙二醇酯衬底氧化铟锡(PET/ITO)的表面粗糙度和功函数,使得ITO与活性层之间形成利于电子输运的欧姆接触,有利于载流子的收集。这种高效柔性聚合物太阳电池的稳定性同样优异,器件在空气中放置120天,能量转换效率仍能维持初始效率的92%。在弯曲条件下测试,器件的光伏性能并没有发生明显的衰减。上述优异的性能为柔性聚合物太阳的实际应用打下良好基础。柔性聚合物太阳电池的理论质量功率可达到400W Kg-1,大大高于基于单晶硅的电池模组的功率密度,而与最好性能的薄膜电池相媲美。这一优点使得这种电池有望在便携电源和空间卫星等领域得到应用。低温溶液加工是这种高效聚合物太阳电池的最突出优点,器件在制备过程中没有采用任何的热处理工艺,为在室温条件下高效大面积柔性聚合物太阳电池的工业化生产提供了一种参考方法。聚合物太阳电池的光伏性能与活性层的形貌密切相关。在第二部分工作中,我们采用溶剂退火的处理方法对活性层的形貌进行优化,提高了聚合物太阳的光伏性能,并探讨了其作用机理。对于基于P3HT/PCBM体系的聚合物太阳电池,结合这一优化和使用ZnO/PFN作为阴极修饰层,器件的能量转换效率达到了4.53%。在此基础上,以溶液加工的V2O5代替蒸镀的MoO3作为空穴抽取层材料,制备了能量转换效率为3.66%的全溶液加工P3HT/PCBM体系聚合物太阳电池。我们同时考察了低沸点溶剂退火对基于D-A型窄带隙聚合物电子给体材料的太阳电池的影响,我们认为低沸点溶剂退火能够诱导活性层中给体、受体相发生相分离,从而优化活性层形貌,增强薄膜光吸收和载流子迁移率。能量转换效率的提高主要来源于填充因子的贡献。这种低沸点溶剂退火方法具有一定的通用性,活性层薄膜经低沸点溶剂处理过程之后,PDTBDTFTQ/PC71BM体系聚合物太阳电池的能量转换效率从5.21%提高到7.25%,填充因子从49.9%提高到74.1%。SFTBT/PC71BM体系有机小分子太阳电池的能量转换效率从1.88%提高到3.39%。PCDTBT/PC71BM体系聚合物太阳电池的能量转换效率从5.16%提高到7.03%。研究结果表明,低沸点溶剂退火的处理时间对器件的光伏性能有重大影响,溶剂退火时间过长容易引起给/受体相分离程度过度扩大,增大了载流子复合的概率,从而降低了器件的短路电流和能量转换效率。在第三部分工作中,我们采用有机/无机复合配体钝化方法,获得了分散性良好、尺寸均匀的硫化铅(PbS)量子点,制备了高效率的肖特基结构PbS胶体量子点太阳电池。器件的开路电压和能量转换效率分别为0.54V和3.72%。论文讨论了复合配体中不同烷基链长度的有机配体对PbS胶体量子点的尺寸、分散性、晶体结构和吸收光谱的影响。我们研究了不同烷基链长度的保护溶剂对PbS胶体量子点太阳电池光伏性能的影响,烷基链较长的油胺制备的PbS肖特基太阳电池性能最优,能量转换效率达到3.52%。研究还表明,在PbS胶体量子点太阳电池中引入醇溶性聚合物材料PFN作为阴极界面修饰层,可有效降低器件的漏电流,并提高器件的填充因子和能量转换效率。
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