新型有机聚合物太阳能电池的结构设计及性能优化.pdf

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1、新型有机聚合物太阳能电池的结构设计及性能优化摘要有机太阳能电池（OSCs，OrganicSolarCells）具有柔性、成本低、可大面积制作等优点，对从根本上解决环境污染和能源短缺问题具有重大意义。但是，与无机太阳能电池相比，有机太阳电池的效率还是偏低，离产业化的要求还有较大差距。根据有机太阳能电池的工作机理，目前大量的研究工作主要集中在通过改善材料光吸收，调制激子传输、增加激子解离，增强载流子传输及抽取效率这三个方向来提高OSCs的效率。体异质结网络结构的提出是一个重大突破，通过增加给体和受体的接触界面，大大提高了激子到达界面并解离

2、的几率，使体异质结有机太阳能电池效率得到显著提高。但是，体异质结网络结构中由于材料对电子和空穴传输能力不同，解离后的载流子传输和收集效率不高，如果这一缺点得以改善，体异质结结构的光伏器件的效率会有新的突破。本文结合有机薄膜晶体管第三端可以形成强电场且低功耗的特点，设计制备具有三端结构的有机聚合物太阳能电池，在器件内实现了可调制的强电场，通过强电场提高载流子传输，增加激子解离率，提高了电池的能量转换效率。实验中通过第三端对PTB7:PC70BM聚合物太阳能电池施加电压，当偏压为2.0V时，能量转换效率提高了19%，达到8.1%。通过激子

3、解离率、载流子迁移率的计算，讨论了强电场对活性层中激子的产生、解离以及载流子传输的作用。同时，对于这一新型器件结构在实际应用中的可行性也进行了讨论。同时我们对通过增加光吸收来提高电池效率也进行了探索。三端I电极结构主要通过强电场改善器件激子解离、载流子传输等电学性能，如果再结合光吸收的增加，应该可以进一步提高电池效率。稀土离子通常具有优良的光谱上、下转换作用，因此我们选择掺杂稀土离子来拓宽聚合物太阳能电池的吸收光谱，从光学性能方面提高太阳能电池的效率。实验中，我们在P3HT:PCBM聚合物太阳能电池的阳极缓冲3+层和活性层界面中间掺杂

4、NaYF4:Eu稀土离子，发现当浓度为0.0025mmol/ml时，器件性能得到明显改善，能量转换效率由2.43%提高到2.70%，提高11%以上。关键词：聚合物太阳能电池，强电场，激子解离率，载流子迁移率，下转换IITHESTRUCTUREDESIGNANDPERFORMANCEOPTIMIZATIONOFNEWTYPEORGANICPLOYMERSOLARCELLSABSTRACTOrganicSolarCells(OSCs)haveattractedsignificantinterestbecausetheirflexibili

5、ty,preparationoflargearea,andutilizationofearth-abundantmaterials,especiallytheadvantagesthatpotentiallylowcostandenvironmentfriendly.However,thepowerconversionefficiency(PCE)ofOSCsisstilllesssatisfactorycomparedwithinorganicsolarcells，whichisthemainbottleneckrestrictin

6、gitsindustrialization.AccordingtooperatingprincipleofOSCs,lotsofworksfocusedonthreeaspectstoimprovePCE,i.e.lightabsorption,excitondiffusionanddissociation,aswellascarriertransportandextraction.Itisanimportantprogressthatbulkheterojunction(BHJ)networkstructureisintroduce

7、dtoOSCsforimprovingtheprobabilityofexcitondissociationbyincreasingthecontactinterfacebetweendonorandacceptor.However,thetransportabilitiesofelectronandholecouldbelimitedinBHJnetworkstructuretohinderthecarriertransportandcollectionbecausethepresenceoftheIIIcut-offtranspo

8、rtpaths.Ifthisproblemissolved,theefficiencyofBHJphotovoltaicdeviceswillhaveanewbreakthrough.Inorganicthinfilmt