基于新型光电材料的三元体异质结太阳能电池机理初探

作     者：李万军 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：何志群

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：形貌结构 解离 迁移 稳定性 有机太阳能电池 

摘      要：限制有机太阳能电池发展最主要的问题是效率较低和稳定性较差。有机太阳能电池效率低的原因主要是对太阳光利用率低,为了克服有机太阳能电池对太阳光谱利用率低,增强对光子的捕获能力,本论文采用新型光电材料PM7和Y6作为体异质结有机太阳能电池的材料,选用吸收光谱互补及能级结构匹配的IT-4F作为器件的第三组分,通过三元体异质结策略提高光子捕获和传输的能力。同时研究器件的光物理及激子解离、电导及载流子迁移率等方面特性,深入研究器件的机理。限制有机太阳能电池器件发展的另一个主要问题是稳定性,本论文测试并研究了器件的稳定性。本论文的主要工作和创新如下:(1)通过改变给受体的比例、活性层的厚度、退火条件得到器件的最佳制备条件,器件的效率能够达到14.59%。添加剂能够显著的改变活性层的形貌结构,选用添加剂CN,器件的效率能够达到15.23%,证明有机薄膜内部结构形貌更加合理。(2)通过控制第三组分IT-4F的比例,制备出基于PM7:Y6:IT-4F的三元体异质结有机太阳能电池,器件的最高效率达16.60%。研究分析活性层的光物理特性即吸收光谱和EQE,表明合适的IT-4F有助于提高器件对太阳光的利用,促进激子转换成电荷被两端电极收集;激发态的激子产生和解离的研究,表明三元体异质结器件激子产生速率和解离概率较大;激子的复合研究,显示器件以双分子复合为主,IT-4F能够减小电荷的复合,因此能够得到更大的Jsc和Voc;交流阻抗谱的分析说明三元体异质结器件的容抗主要由界面处的电容产生,复合电阻的提升有助于抑制激子的复合;电荷迁移率的测量分析,表明PM7:Y6:IT-4F为1:1.2:0.10,器件的解离最大,同时电子的迁移率μ和空穴迁移率μ的比值μ/μ最接近1,处于最平衡的状态;活性层形貌的研究显示薄膜粗糙度较低,表面平整,材料彼此溶合充分。(3)探究器件的稳定性。测试了体异质结器件和三元体异质结器件在手套箱和室外非光照条件下的稳定性。对比发现,手套箱里的器件比室外器件更加稳定,三元体异质结器件比体异质结器件更加稳定。表明IT-4F能够提高器件的效率和稳定性。测试疏水角显示基于PM7:Y6:IT-4F的三元有机太阳能电池的疏水角均大于90°,说明器件具有较强的疏水性。在AM1.5G光照条件下,手套箱里的器件的性能在前50 h衰减,在50 h之后器件逐渐稳定,效率衰减到初始效率16.6%的60%即稳定在10%左右。本论文共计图27个,表11个,参考文献110篇