雜化納米結(jié)構(gòu)的制備及其聚合物太陽能電池界面工程.pdf

1、聚合物太陽能電池及有機(jī)無機(jī)雜化太陽能電池由于其質(zhì)量輕，柔性，可作為便攜式移動能源，制備成本低，在室溫下可溶液加工制備大面積器件等誘人的優(yōu)點(diǎn)，得到了人們的廣泛關(guān)注。近幾年來有機(jī)聚合物太陽能電池和有機(jī)無機(jī)雜化太陽能電池得到了迅速發(fā)展，通過開發(fā)窄帶隙共軛聚合物給體，新的受體，優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)以及界面工程等，目前單異質(zhì)結(jié)聚合太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率已超過10％。盡管聚合物太陽能電池的性能得到了很大提高，為了滿足商業(yè)化要求，聚合物太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換

2、效率和器件穩(wěn)定性等還需要得到進(jìn)一步的提高。在本論文中，我們主要圍繞聚合物太陽能電池和活性層微觀形貌以及界面調(diào)控等對器件性能的影響進(jìn)行了研究，主要包括以下幾部分：
　　(1)究了基于P3HT的液晶嵌段共聚物P3HT-b-Pterph和P3HT-b-PTP在聚合太陽能電池中的潛在應(yīng)用。兩種液晶嵌段共聚物分別含有聚三聯(lián)苯和聚三亞苯嵌段。由于低導(dǎo)電性非共軛液晶嵌段的引入，基于液晶嵌段共軛聚合物和PCBM為活性層的太陽能電池展現(xiàn)出較差的性能

3、。器件性能在液晶態(tài)溫度熱退火后能得到有效提高，主要由于液晶嵌段共聚物在液晶態(tài)下具有自組裝行為，在活性層中能形成有序結(jié)構(gòu)。將P3HT液晶嵌段共聚物引入到P3HT:PCBM活性層中作為增容劑，器件性能在液晶態(tài)溫度熱退火后能得到顯著提高。具有自組裝行為的液晶嵌段共聚物能提高P3HT的結(jié)晶性以及P3HT鏈的有序性，有助于形成具有互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的活性層，能有效的提高激子的分離。因此，液晶嵌段共軛聚合物增容劑能有效的優(yōu)化P3HT:PCBM活性層形貌，

4、提高載流子遷移率，器件短路電流和填充因子。
　　(2)通過一步法原位制備了石墨烯/CdS(G-CdS)二維雜化納米片。在G-CdS二維雜化納米片中，CdS納米晶和石墨烯片之間無任何連結(jié)劑，CdS納米晶和石墨烯片的緊密接觸有利于電荷的注入，激子的分離和電荷的傳輸。G-CdS與PBDTTT-C-T和PC70BM具有很好的能級匹配。將G-CdS添加到基于PBDTTT-C-T和PC70BM的太陽能電池中，G-CdS可以作為激子分離中心，提

5、供多通道的電荷傳輸，有效的提高電荷的分離和轉(zhuǎn)移效率?；赑BDTTT-C-T和PC70BM為活性層的太陽能電池效率從6.0%提高至7.5%，同時(shí)PBDTTT-C-T:PC70BM:G-CdS活性層的機(jī)械性能也得到提高。
　　(3)熱致性液晶可以作為一種理想的有序模板從納米尺寸來調(diào)控有機(jī)/無機(jī)雜化納米材料形貌，在熱致性液晶中原位生長半導(dǎo)體納米晶是一種有效的途徑來制備有機(jī)/無機(jī)雜化納米材料并運(yùn)用到光電子器件中。通過在不同種類功能化熱致

6、液晶小分子和共軛聚合物模板中熱分解黃原酸鎘鹽前驅(qū)體，原位生長CdS納米晶制備液晶/CdS納米晶納米復(fù)合材料，并系統(tǒng)的研究了液晶/CdS納米晶雜化納米材料的形貌，光物理以及光電子特性與熱退火溫度之間的關(guān)系。值得注意的是在液晶態(tài)溫度下退火能得到更有序的納米形貌，液晶/CdS納米晶雜化納米材料的光物理和光電子性能可得到有效的提高。
　　(4)為了降低ZnO表面缺陷，我們通過在ZnO表面原位生長CdS，制備ZnO@CdS雜化納米界面層用來

7、作為電子傳輸層。CdS納米層的厚度可以通過CdS前軀體的厚度來控制。在原位生長CdS層的過程中，CdS能鈍化并修復(fù)ZnO表面的缺陷，提高其電子傳輸和收集效率。CdS還可以作為保護(hù)層來阻擋空氣中的氧和水，并且作為橋梁來連接ZnO和活性層。當(dāng)在ZnO表面原位生長一層約2nm厚的CdS層時(shí)，所制備的ZnO@CdS雜化納米層的電子遷移率是ZnO的六倍。因此，基于ZnO@CdS雜化納米層的反向聚合物太陽能電池比基于ZnO的反向聚合物太陽能電池具有

8、更高器件效率和穩(wěn)定性。
　　(5)在非共軛聚電解質(zhì)PEIE水溶液中原位生長Ag納米粒子制備PEIE-Ag納米復(fù)合材料作為有效的界面修飾層來提高反向聚合物太陽能電池性能。原位生長的Ag納米粒子能自發(fā)的鑲嵌在PEIE聚合物鏈中，形成連續(xù)的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。PEIE-Ag界面材料結(jié)合了PEIE和Ag納米粒子的優(yōu)點(diǎn)，具有好的導(dǎo)電性，在緩沖層和活性層界面能形成偶極層，能提高電荷傳輸、選擇和收集性能，具有表面等離子體共振效應(yīng)，可提高活性層對光的捕

9、獲能力?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，以PBDTTT-C-T：PC71BM為活性層的反向聚合物太陽能電池性能從6.11%提高到7.66%。此外，器件性能對PEIE-Ag界面的厚度不敏感，擴(kuò)寬了界面材料厚度的選擇空間。
　　(6)制備具有表面等離子體共振效應(yīng)的石墨烯/銀納米粒子（GO-Ag）納米復(fù)合材料，并運(yùn)用到太陽能電池器件的制備中來提高聚合物太陽能電池性能。GO-Ag的表面等離子體共振效應(yīng)與入射光之間強(qiáng)的耦合作用，能有效的提高活性層中激子的形成

10、速率，提高電荷的收集，因此提高短路電流和器件效率。在ITO和PEDOT:PSS界面引入GO-Ag，基于PBDTTT-C-T：PC70BM活性層的聚合物太陽能電池效率從6.58%提高到7.54%。
　　(7)運(yùn)用光催化反應(yīng)原位制備ZnO-Ag納米粒子。ZnO-Ag納米粒子比ZnO納米粒子具有更好的光學(xué)性能，更高的電子傳輸能力，更強(qiáng)的光捕獲特性，可以作為有效的陰極修飾層運(yùn)用到聚合物太陽能電池的制備中。銀納米粒子能原位光沉積在ZnO納米