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基于光谱互补的无定形梯形聚合物的三元共混本体异质结聚合物太阳能电池

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 聚合物太阳能电池

1.2.1 聚合物太阳能电池的工作原理

1.2.2 聚合物太阳能电池活性层材料

1.2.3 有机聚合物太阳能电池伏安特性曲线及相关参数

1.3 提高聚合物本体异质结型太阳能电池效率方法

1.3.1 器件优化和提高载流子运输

1.3.2 优化和调控活性层形貌

1.3.3 三元共混本体异质结太阳能电池

1.4 本课题的提出和研究意义

第二章 梯形聚合物三元共混聚合物太阳能电池

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验原料

2.2.2 实验仪器及分析表征手段

2.2.3 梯形聚合物PIDTT-PhanQ和PIDTT-DFBT-TT的结构

2.2.4 三元共混薄膜和二元共混薄膜的制备

2.2.5 三元共混太阳能电池和二元共混太阳能电池器件制备和表征

2.3 结果与讨论

2.3.1 共混薄膜光性能的研究

2.3.2 共混薄膜微观形貌的研究

2.3.3 光伏器件性能的研究

2.4 结论与展望

致谢

参考文献

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摘要

聚合物太阳能电池作为新型第三代光伏技术具有成本低廉、工艺简单等优点,且其光电转换效率已经突破了10%。但对于传统单给体二元共混聚合物太阳能电池体系,一直受限于狭窄的光吸收范围和较低的光子捕获能力,造成其光电转换效率较低。
  三元共混太阳能电池是传统二元体系的延伸与发展,在继承二元本体异质结太阳能电池工艺简单的优点上,又综合利用了两个不同带隙给体对光吸收增强的特性,以此打破光吸收的限制,提高聚合物太阳能电池的效率。然而,由于电子给体材料的化学结构和结晶性都会影响共混物的微观形貌,因此,相较于二元共混体系,三元共混太阳能电池的活性层微观形貌调控更为复杂,这也给选择合适的电子给体材料带来了困难,从而限制了三元共混体系的发展和应用。最近,不同带隙的梯形聚合物不断涌现,同时由于其侧链阻碍了聚合物主链的有序堆砌,大部分梯形聚合物均表现出无定形特征。因此,利用无定形梯形聚合物作为电子给体材料,可以简单地通过光谱互补原则来选择电子给体,在无需考虑形貌调控的基础上,方便地实现活性层吸收范围的调控。
  基于此,本文中利用了两种光谱互补的梯形聚合物(LP)——聚联苯并三噻吩-并噻吩苯硫基二氟代苯并噻二唑(PIDTT-DFBT-TT,LP1)和聚联苯并三噻吩-菲并喹喔啉(PIDTT-PhanQ,LP2)与[6,6]-苯基-C71-丁酸甲酯(PC71BM)形成共混体系,制备三元共混太阳能电池。由于这两种梯形聚合物都属于无定形聚合物,所以聚合物的比例和器件制备过程都不会对活性层的形貌产生很大的影响,因此,本共混体系可以忽略对传统异质结太阳能电池至关重要的形貌问题对器件效率产生的影响。本文通过控制不同聚合物的质量比来制备器件,探寻效率提高的原因。发现当聚合物质量比为LP1: LP2=0.5:0.5时,其太阳能电池的器件效率最高,达到了7.62%。研究认为,在聚合物质量比LP1: LP2=0.5:0.5时,两种聚合物的光谱互补效果达到最大,从而增大了太阳能电池的光电流,即使开路电压有所减小,但最终的器件效率还是得到了提高。当其中一种聚合物含量过高时,将会打破这种平衡,对另一种聚合物吸光范围内的光吸收降低,器件效率也随之下降。通过对三元共混器件的开路电压和短路电流研究发现后,可以得出以下结论:三元共混太阳能电池效率的提高主要归功于光吸收增强而带来的短路电流的提高,与能量转移和电荷转移无关,且空穴在活性层内的运输更符合平行运输的机理。

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