基于P3HTPCBM有机太阳能电池的制备及其性能的研究

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1、论２学校代：１０７０８＇学９００８／号：１５０＿淡基＃我大ｆＳＨＡＡＮＸＩＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ硕士学位论文Ｔ’ｈｅｓｉｓｆｏｒＭａｓｔｅｒｓＤｅｇｒｅｅ基于Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ有机太阳能电池的制备及其性能的研究范亚红指导教师姓名：冯海涛学科名称：新能源材料与工程论文提交日期：２０１８年３月论文答辩日期：２０１８年５月学位授予单位：陝西科技大学申请工学硕士学位论文论文题目：基于P3HT:PCBM有机太阳能电池的制备及其性能的研究学科门类：工学一级学科：材

2、料科学与工程培养单位：文理学院硕士生：范亚红导师：冯海涛博士2018年5月IPREPARATIONANDSTUDYONP3HT:PCBMBASEDORGANICPLOYMERSOLARCELLSAThesisSubmittedtoShaanxiUniversityofScienceandTechnologyinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringScienceByYahongFanSupervisor:Dr.HaitaoFengMay2018I基于P3HT:

3、PCBM有机太阳能电池的制备及其性能的研究摘要随着太阳能电池的大规模、产业化发展，越来越多的人们开始关注新材料的研究与利用，有机光伏电池由于具有可弯曲、易携带、生产成本低以及可大面积制造等优点，近年来受到国内外专家学者的广泛关注。经过60年的发展，近年来人们将研究的目标转向了有机小分子半导体材料，与有机高分子半导体材料相比，有机小分子材料易溶于有机溶剂，在溶液中易提纯，且具有分子结构单一、分子量固定且重复性强等优点，因而在聚合物太阳能电池的研究中备受关注。主要从光生伏特效应的基本原理和器件结构出发，着重研究了有机聚合物光伏器件的电极、修饰层、基板、活性层等

4、材料性质与制备工艺。其中P3HT由于具有良好的电子传输特性和较宽的紫外-可见光吸收范围，目前已成为一种被广泛研究的高分子半导体材料。同时,PCBM作为活性层中的电子受体材料由于具有较高的空穴迁移率被广泛研究。薄膜结构是有机光伏器件的重要组成形式，对薄膜材料进行适当温度的热退火，可以改变薄膜微观形貌和分子链的有序性，进而达到改变器件光电性能的目的。本文主要从薄膜电导率、薄膜表面形貌、紫外-可见吸收光谱、电学性能等角度，研究了薄膜厚度、退火温度及双缓冲层对有机光伏器件性能的影响，通过对实验数据的分析和处理，获得了性能最优的基于P3HT:PCBM有机光伏器件，并

5、分析了其在可再生能源领域及商业发展领域的应用前景。实验中采用了旋转涂膜法制备了P3HT:PCBM的共混薄膜。通过改变各层薄膜的厚度、薄膜旋涂速率、薄膜退火温度及缓冲修饰层材料，研究了薄膜厚度及退火等对活性层表面形貌、薄膜电导率和紫外可见-光吸收性能的影响。本文运用原子力显微镜（AFM）和紫外-可见光（UV-ViS）吸收光谱等测试手段对P3HT:PCBM共混薄膜的微观形貌和光吸收率进行了表征。首先采用P3HT作为电池器件的电子给体材料，PCBM作为电子受体材料，氯苯（C6H4Cl2）作为有机溶剂，采用共混旋涂法在ITO导电薄膜上旋涂适当厚度的PEDOT:PS

6、S薄膜，作为阳极缓冲层，随后旋涂合适厚度的活性层薄膜。当薄膜热退火温度为120℃，退火时间为10min的条件下设置旋转涂膜速率分别为800r/min，1000r/min，2000r/min和3000r/min且旋涂时间定为40s时，得到不同活性层厚度的P3HT:PCBM导电薄膜。通过研I究发现，活性层厚度为100nm时的活性层微观形貌及紫外-可见光吸收性能最佳。此条件下的给体材料与受体材料的接触界面较大，且薄膜粗糙度适中，分子排列均匀有序且很少出现团聚现象。其次，选取P3HT:PCBM厚度为100nm、退火10min，通过设置退火温度分别为110℃、120

7、℃、130℃、140℃、150℃，研究了不同退火温度对活性层薄膜的表面结构及光吸收率的影响，最终得到最佳退火温度。实验发现，退火温度为120℃时，制备的活性层薄膜的微观形貌及紫外-可见光吸收范围最大，吸收强度最高。最后，在此优化的基础上插入MoO3层，进一步采用双缓冲层修饰，当MoO3层厚度为10nm时，电池器件表现出较高的的光电性能。因此，本实验在旋涂速率2000r/min、旋涂40s，退火10min，退火温度120℃的条件下制备出最佳性能的有机光伏器件。此时，获得的电池器件的短路电流（Jsc），开路电压（V-2oc），填充因子（FF）和能量转化效率（P

8、CE）分别为12.68mA·cm，0.60V，45.4%和3.45