本文選題：聚合物太陽能電池 + 電子傳輸材料　； 參考：《蘇州大學(xué)》2016年碩士論文

【摘要】：到目前為止,已報(bào)道的用于聚合物太陽能電池的電子傳輸材料種類較多,包括各種金屬氧化物、金屬氟化物以及多種有機(jī)化合物(如共軛聚電解質(zhì)、n型小分子、富勒烯衍生物等)。其中,大多數(shù)無機(jī)電子傳輸材料存在與有機(jī)活性層兼容較差或與低成本的溶液法制膜工藝不兼容等問題。而有機(jī)電子傳輸材料則存在制備路徑復(fù)雜、合成成本較高、穩(wěn)定性較差等缺點(diǎn)。這些問題的存在制約了多數(shù)材料在低成本聚合物太陽能電池領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。因此設(shè)計(jì)制備可溶液加工且低成本、高效、穩(wěn)定的有機(jī)電子傳輸材料仍是一項(xiàng)很大的挑戰(zhàn)。本論文中,我們設(shè)計(jì)制備了一種新型石墨烯-傒四羧酸鉀鹽復(fù)合物(rGO-K4PTC),并用掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線光電子能譜(XPS)、傅里葉紅外光譜(FTIR)、紫外-可見吸收光譜(UV-vis)對其進(jìn)行表征。此外,紫外光電子能譜(UPS)表征表明rGO-K4PTC具有較低的功函數(shù)(3.99 eV),與K4PTC的功函(4.03 eV)相當(dāng),且明顯低于rGO的功函(4.38 eV),與聚合物太陽能器件的常用受體材料PC61BM及PC71BM的LUMO能級(4.0-4.1 eV)相匹配。因此預(yù)期復(fù)合物rGO-K4PTC與小分子K4PTC作為電子傳輸材料可與有機(jī)活性層形成良好的歐姆接觸,是一種良好的界面層材料。在應(yīng)用研究中,rGO-K4PTC及K4PTC作為電子傳輸材料被用于構(gòu)筑多種聚合物太陽能電池,包括基于P3HT:PC61BM、PTB7-th:PC61BM、PTB7-th:PC71BM體系的器件�；趓GO-K4PTC或K4PTC器件的光電轉(zhuǎn)換效率分別被提高至3.03%/6.17%/7.26%和3.05%/6.18%/7.26%,相比于沒有電子傳輸層的參比器件,最大可提升至35%,與Ca/Al標(biāo)準(zhǔn)器件的效率相當(dāng)。此外,入射單色光子-電子轉(zhuǎn)化效率(IPCE)測試結(jié)果表明:在波長400-650 nm區(qū)間,基于rGO-K4PTC或K4PTC的器件的IPCE值明顯高于沒有電子傳輸層的參比器件。因此,在活性層與陰極Al之間插入rGO-K4PTC或K4PTC層可以提高器件的光伏性能,這與電流密度-電壓(J-V)測試結(jié)果相一致。我們進(jìn)一步用原子力顯微鏡(AFM)表征P3HT:PC61BM/ETLs與P3HT:PC61BM活性層的表面形貌,并用空間電荷限制電流(SCLC)方法測量材料的電子遷移率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:(1)P3HT:PC61BM/ETLs表面粗糙度相對較低;(2)基于K4PTC或rGO-K4PTC器件的電子遷移率明顯高于參比Al器件的電子遷移率。由此得出結(jié)論:插入基于K4PTC或rGO-K4PTC的電子傳輸層可以有效改善活性層與Al電極的接觸面,從而降低器件的串聯(lián)電阻(Rs),有助于提高器件光電轉(zhuǎn)化效率(PCE)。更重要的是,器件穩(wěn)定性測試表明:在潮濕空氣中,基于rGO-K4PTC的器件比標(biāo)準(zhǔn)Ca/Al器件及基于K4PTC的器件更加穩(wěn)定�？赡苁怯捎陔娮觽鬏攲又械膔GO的存在,有效的保護(hù)了有機(jī)光活性層,減緩其在潮濕空氣中的氧化和降解速度。此外,我們又初步探索了水相與有機(jī)相合成的N,P-摻雜石墨烯量子點(diǎn)作為空穴或電子傳輸材料的光伏性能。結(jié)果顯示,該石墨烯量子點(diǎn)并不適合作為空穴傳輸材料,但有可能是一種潛在的電子傳輸材料。由于以石墨烯量子點(diǎn)作為電子傳輸層的器件效率仍低于Ca/Al標(biāo)準(zhǔn)器件效率,這方面的研究還需要進(jìn)一步摸索。通過改善電子傳輸層制備工藝,我們預(yù)期石墨烯量子點(diǎn)器件的性能可以與Ca/Al標(biāo)準(zhǔn)器件相當(dāng),甚至有可能有更多提高空間。
[Abstract]:Up to now, there are many kinds of electronic transmission materials used in polymer solar cells, including a variety of metal oxides, metal fluoride and a variety of organic compounds (such as conjugated polyelectrolytes, N type small molecules, fullerene derivatives, etc.). Most of the inorganic electron transport materials have poor compatibility with the organic active layer. Or incompatible with low cost solution process membrane process, and organic electronic transmission materials have the disadvantages of complex preparation path, high synthesis cost and poor stability. The existence of these problems restricts the practical application of most materials in the field of low cost polymer solar cells. Therefore, the design preparation can be processed and low in solution. In this paper, we have designed a new type of graphene four carboxylic acid potassium salt complex (rGO-K4PTC), and used scanning electron microscope (SEM), X ray photoelectron spectroscopy (XPS), Fourier Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and ultraviolet visible absorption spectroscopy (UV-vis). In addition, the UV photoelectron spectroscopy (UPS) shows that rGO-K4PTC has a lower function function (3.99 eV), which is equivalent to the work function of K4PTC (4.03 eV), and is obviously lower than the work function of rGO (4.38 eV), which matches the common receptor material PC61BM and PC71BM LUMO energy level (4.0-4.1 eV) of the polymer solar devices. The small molecule K4PTC, as an electron transport material, can form a good ohmic contact with the organic active layer. It is a good interface layer material. In the application study, rGO-K4PTC and K4PTC are used as electronic transmission materials to construct a variety of polymer solar cells, including devices based on P3HT: PC61BM, PTB7-th:PC61BM, PTB7-th:PC71BM system. The photoelectric conversion efficiency of the rGO-K4PTC or K4PTC devices is increased to 3.03%/6.17%/7.26% and 3.05%/6.18%/7.26% respectively. Compared to the reference devices without the electronic transport layer, the maximum efficiency can be raised to 35%, and the efficiency of the Ca/Al standard device is equal. In addition, the incident monochromatic photon electron conversion efficiency (IPCE) test results show that in the wavelength 400-650 nm zone The IPCE value of the device based on rGO-K4PTC or K4PTC is obviously higher than the reference device without the electron transport layer. Therefore, the insertion of the rGO-K4PTC or K4PTC layer between the active layer and the cathode Al can improve the photovoltaic performance of the device, which is in accordance with the current density voltage (J-V) test results. We further use the atomic force microscope (AFM) to characterize P3HT:PC61. The surface morphology of BM/ETLs and P3HT:PC61BM active layer and the measurement of electron mobility by space charge limited current (SCLC) method. The experimental results show that: (1) the surface roughness of P3HT:PC61BM/ETLs is relatively low; (2) the electron mobility based on K4PTC or rGO-K4PTC devices is significantly higher than that of the reference Al device. The insertion of the electronic transport layer based on K4PTC or rGO-K4PTC can effectively improve the contact surface between the active layer and the Al electrode, thereby reducing the device's series resistance (Rs) and improving the photoelectric conversion efficiency (PCE). More importantly, the device stability test shows that in the moist air, the rGO-K4PTC based devices are more than the standard Ca/Al devices and based on K4. The device of PTC is more stable. It is probably due to the existence of rGO in the electron transport layer, which effectively protects the organic light active layer and slows down its oxidation and degradation rate in the moist air. In addition, we have initially explored the N synthesized by the aqueous phase with the organic phase and the P- doped graphene quantum dots as the photovoltaic properties of the cavitation or electronic transmission materials. The results show that the graphene quantum dot is not suitable as a hole transmission material, but it may be a potential electronic transmission material. Since the efficiency of the graphene quantum dots as the electron transport layer is still lower than the Ca/Al standard device efficiency, the research in this respect needs further exploration. By improving the preparation process of the electron transport layer, We expect that the performance of graphene quantum dot devices can be comparable to that of Ca/Al standard devices, and there may even be room for improvement.
【學(xué)位授予單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TB332;TM914.4

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本文編號：1968533