非富勒烯有机光伏薄膜的刮涂制备及原位监测研究毕业论文

 2021-04-12 01:04

摘 要

太阳能电池利用光伏效应将太阳能转化为电能。在过去的十几年中,随着对有机太阳能电池(OSCs)研究的日益深入,有机光伏发电技术在迅速崛起,并极具前景。在实验室中通常以旋涂法制备有机太阳能电池器件,目前其光电转换效率(PCE)已经超过了15%。然而旋涂法无法应用于大面积有机太阳能电池的制备与工业化生产,本文通过刮涂法有效地解决了这一问题。

本文在了解国内外对非富勒烯太阳能电池相关研究概况的基础上,提出合理的器件制备方案,利用刮涂法制备二元及三元有机光伏薄膜。本文选用了一种高结晶性的非富勒烯小分子受体COi8DFIC,分别与PTB7-Th和PBDB-T-2F、IT-4F制备二元(PTB7-Th:COi8DFIC)和三元(PM6:IT-4F:COi8DFIC)有机光伏薄膜,对其进行形貌表征并通过改变实验参数优化薄膜表面形貌。同时将制备的薄膜组装成二元及三元器件,测试其光电转换效率,通过优化实验参数得到最优参数下的光电转换效率。另外本文利用椭偏仪对非富勒有机光伏薄膜的干燥过程进行原位监测,并对所得数据进行拟合。

研究结果表明,刮涂法所制备的光器件与旋涂法制备的器件拥有相当的光电转换效率。通过对三元混合薄膜进行原位表征,研究表明在最优参数下,IT-4F聚集先于作为第三组分小分子受体的COi8DFIC。

本文旨在于采用刮涂法制备有机光伏薄膜,相较于旋涂法能减少原材料的消耗,且有利于大面积制备。同时采用该制膜工艺能制备出光电转换效率与旋涂法相当的有机光伏器件。我们利用椭偏仪对薄膜干燥过程进行原位监测,能有效说明不同组分在干燥过程中的聚集情况,通过分析各组分的聚集顺序有利于进一步对薄膜形貌进行调整从而优化器件性能。

关键词:刮涂法;有机太阳能电池;椭圆偏光法;原位监测;分子聚集

Abstract

Solar cells use photovoltaic effects to convert solar energy into electricity. In the past few years, the research on organic solar cells (OSCs) has emerged as a promising direction in the field of solar cell technology. The power conversion efficiency (PCE) of organic solar cells fabricated by spin coating method in laboratory has exceeded 15%. However, the spin coating method cannot be applied to the large-area fabrication of organic solar cells. We can effectively solve this problem by the bar coating method which can save the raw material.

On the basis of understanding the related research situation of non-fullerene solar cell, this paper puts forward a reasonable scheme of device fabrication, and the Organic photovoltaic thin film was prepared by bar coating method and their morphology was characterized. In this work, we use a non-fullerene acceptor COi8DFIC which possesses high crystallinity to fabricate binary (PTB7-Th:COi8DFIC) and ternary (PM6:IT-4F:COi8DFIC) blend film respectively. The surface morphology of the films was optimized by changing the experimental parameters. Meanwhile, the binary and ternary devices were fabricated using the prepared organic photovoltaic thin films and the J-V characteristics were measured, and the best PCE of champion device was obtained by optimizing the experimental parameters. Moreover, the drying process of non-fullerene blend films by bar coating was monitored by in-situ SE and the raw data were fitted to analyze the evolution of molecular aggregation.

The results show that the power conversion efficiency of the bar-coated devices is similar to that of spin-coated devices. The results of in-situ ellipsometry show that IT-4F was prior to the onset of aggregation of the third component (COi8DFIC).

This article is conducted to use the bar coating method which is beneficial to reduce the use of raw materials and has a bright prospect in fabricating large-area devices. The PCE of device using bar coating is not much different from that of spin coating method.

Meanwhile, In-situ SE is an effective method to probe the evolution of molecular aggregation in the film drying process, which can be further applied to regulate the film morphology to optimize the device performance.

Key Words:Bar coating; OSCs; Ellipsometry; In-situ; Molecular aggregation

目录

第1章 绪论 1

1.1 有机太阳能电池的研究发展 1

1.1.1 有机太阳能电池的结构及发展 1

1.1.2 光伏材料的发展 2

1.1.3 工作机理 3

1.1.4 质量指标 3

1.1.5 挑战与展望 4

1.2 原位监测 5

1.2.1 表面形貌的影响 5

1.2.2 刮涂法介绍 5

1.2.3 椭偏仪介绍 6

1.3 对社会、健康、安全、成本以及环境等的影响 7

1.4 本文研究内容 7

1.4.1 PTB7-Th:COi8DFIC二元体系 7

1.4.2 PBDB-T-2F:IT-4F:COi8DFIC三元体系 7

第2章 刮涂法制备有机光伏薄膜并进行器件表征及原位监测 8

2.1 前言 8

2.2 实验部分 9

2.2.1 实验药品与耗材 9

2.2.2 实验仪器及设备 9

2.3 PTB7-Th:COi8DFIC二元体系的刮涂制备 10

2.4 PBDB-T-2F:IT-4F:COi8DFIC三元体系 14

2.5 原位监测 20

2.6 本章小结 23

第3章 总结与展望 24

3.1 全文总结 24

3.2 展望 24

参考文献 25

致 谢 28

第1章 绪论

化石燃料(如煤、石油和天然气)是人类最主要的能源,但是化石燃料并不是取之不尽用之不竭的,随着时代的进步,能源的需求会越来越大。如今,化石燃料在生产和使用过程中引发了大量的环境问题,而且它们的储量也在日益减少,所以寻找一个可再生的清洁能源是当务之急。太阳能作为清洁可再生能源无疑是人们研究的热点所在。太阳能电池是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片,当有一定强度的光照射其上,它瞬间就能够输出电压并在有回路的情况下产生电流。目前阻碍光伏技术发展的便是硅基电池的高成本问题,有机光伏电池(OPV)具有成本低、重量轻、灵活性好等优点,是相较于硅基太阳能电池的一种具有很好的成本效益的替代品,也是当下的研究热点所在。在光伏器件中,最主要的质量指标有4个,即光电转换效率PCE、填充因子FF、短路电流密度JSC以及开路电压VOC。而活性层材料,包括聚合物和小分子半导体在能量转换中扮演着重要的角色,最终决定着光伏器件的光电特征,也就是PCE、FF、JSC和VOC。电子给体和电子受体则分别由聚合物以及小分子半导体组成,它们便是活性层的组成。电池吸收太阳光子产生激子,激子扩散到给体/受体界面,在那里激子被解离成自由的空穴和电子,相反的极性载流子(空穴和电子)分别通过给体和受体通道传输到阳极和阴极,随后电荷被收集在电极上,从而在两极间产生光生电压。近十年来,新型光伏材料和器件结构的发展取得了显著进展。目前,用于OPV的小分子半导体由于其相对分子结构清晰、分子量确定、纯度高等优点而受到人们的广泛关注。实验室中主流的制备方法是旋涂法,旋涂法是通过离心力将溶液铺平成膜,对材料的浪费很严重,并且无法进行大面积制备。于此我们选用了刮涂法,希望能通过刮涂法达到甚至超过旋涂法制备器件的性能。

    1. 有机太阳能电池的研究发展

1.1.1 有机太阳能电池的结构及发展

D/A异质结在太阳能电池中有两种主要的结构,分别为双层异质结和体异质结。如图1所示,对于双层异质结和体异质结太阳能电池,他们有着相似的组成结构,光活性层夹在高工函阳极(典型的透明铟锡氧化物(ITO)层)和工函相对较低的金属阴极(如Ca、Al)之间。在双层异质结器件中,给体材料附着在阳极上,受体材料附着在阴极上;而在体异质结(BHJ)器件中,活性层是给体和受体材料的混合物。通常在活性层两侧还会有空穴传输层(如MoO3)以及电子传输层(如ZnO、TiO2)起到定向分别传输空穴和电子的作用。

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