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界面掺杂方法在钙钛矿太阳电池中的应用

界面掺杂方法在钙钛矿太阳电池中的应用

作者：薛叶斌吉林大学

学位级别：硕士

钙钛矿太阳电池是近年来发展的一种高效薄膜光伏器件,具有光谱响应范围可调、可以采用溶液工艺制备等独特优势,目前已成为光电器件领域的研究热点。高质量的钙钛矿太阳电池有赖于对吸光层的有效调控,本论文采用界面修饰掺杂方法,改善了H... 详细信息

钙钛矿太阳电池是近年来发展的一种高效薄膜光伏器件,具有光谱响应范围可调、可以采用溶液工艺制备等独特优势,目前已成为光电器件领域的研究热点。高质量的钙钛矿太阳电池有赖于对吸光层的有效调控,本论文采用界面修饰掺杂方法,改善了HC(NH)PbI和CsPb I吸光层的性能,具体研究内容如下:(1)在HC(NH)PbI(FAPb I)作为吸光层的钙钛矿太阳电池中,掺杂一价阳离子对于稳定FAPb I的钙钛矿晶体结构十分必要,铯离子可用于消除晶格的张力,从而提高FAPb I器件的稳定性和光伏性能。在本论文中,我们通过界面掺杂的方法,制备了铯掺杂FAPb I钙钛矿,并以此为基础制备了器件。这种界面掺杂方法与之前报道的溶液混合掺杂的方法不同。通过元素分析显示,在钙钛矿的表面无法探测出掺杂元素铯,说明Cs主要分布在TiO/FAPb I的界面附近,避免了因引入Cs离子而导致的光吸收边蓝移现象。在溶液混合掺杂中,Cs离子分布在整个吸光层中。。实验发现,掺入量不同,吸光层性能也不同。在优化的条件下,器件的光电转换效率可以达到17.1%,表现出比未经铯掺杂的器件或使用溶液混合掺杂制备的器件更优异的光伏性能。(2)前期报道表明,二维层状钙钛矿材料EDAPbI可以与三维钙钛矿材料CsPbI组成2D/3D混合钙钛矿材料,有效提高CsPb I钙钛矿吸光层的晶粒尺寸,改善CsPbI钙钛矿器件的光伏性能。界面修饰方法是调控薄膜性能常用的手段,在本论文中,我们通过在TiO/CsPbI界面引入二维层状EDAPb I材料,通过界面掺杂过程,获得了局部2D/3D混合钙钛矿层,并组装了平面结钙钛矿器件。通过优化EDAPbI界面修饰层的厚度,改善了CsPbI器件的光伏性能。

关键词：钙钛矿太阳电池界面掺杂二维层状钙钛矿 HC(NH2)2Pb I3 CsPbI3

TiO2基复合薄膜负极材料的电化学性能研究

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TiO2基复合薄膜负极材料的电化学性能研究

作者：石兴旺兰州大学

学位级别：硕士

目前,锂离子电池的应用较为广泛,有效促进了能源领域的转型升级,在电池负极材料的选择上,Si材料也是一种可选的负极材料,其理论比容量较高(3572m Ah g LiSi)。在Si@C@TiO结构中,C@TiO在热处理过程中有可能形成复合结构而非双壳层结构,... 详细信息

目前,锂离子电池的应用较为广泛,有效促进了能源领域的转型升级,在电池负极材料的选择上,Si材料也是一种可选的负极材料,其理论比容量较高(3572m Ah g LiSi)。在Si@C@TiO结构中,C@TiO在热处理过程中有可能形成复合结构而非双壳层结构,在一般的文献报道中,很少有对此结构进行讨论。我们采用TiO/C多层膜的形式对其进行了研究,发现C在热处理过程中可以沿着TiO的晶界迁移形成部分TiO(C)复合结构,晶界处的C还阻止了TiO颗粒的长大。这里我们将进一步采用共溅射的手段制备TiO(C或Si)的复合薄膜,研究复合薄膜的结构演变与电化学性能。1、基于TiO/C多层薄膜中C向TiO形成扩散而发生相的分离,C和TiO形成了复合结构界面掺杂问题,设计了TiO(C)复合薄膜结构。本课题研究结果表明,TiO(C)复合比例为2:1的电极材料具有较高的电极比容量和较好的电化学性能。进一步将薄膜电极进行热处理,形成了锐钛矿TiO(C)薄膜电极,2:1的锐钛矿TiO(C)薄膜电极的离子扩散系数和比容量也是最高。这是由于样品中存在的异质界面对于锂离子的运输起促进作用,在界面处形成的通道能缩短离子的运输距离,从而提高了离子的运输效率,促进了锂离子的扩散系数。另外C在锐钛矿TiO的晶界位置形成掺杂,导致晶体晶粒大小不一致,形成了一种界面钛,能够有效的储存电荷,锐钛矿TiO(C)复合膜电极中主要的储锂机制为扩散控制的电化学反应和电容控制的赝电容特性相结合的混合储锂机制,这也是2:1的锐钛矿TiO(C)薄膜电极比容量较高的原因。2、为了进一步研究界面对TiO电化学性能的影响,设计了对TiO进行均匀Si复合的实验,通过制备TiO(Si)复合薄膜电极并对其进行热处理,利用Si和TiO之间的Kirkendall效应,在热处理的情况下使得Si颗粒析出,进一步研究了TiO(Si)复合薄膜电极中Si的含量对于薄膜电极电化学性能的影响,具体结论如下:热处理以后薄膜电极表面析出了较多的Si颗粒,这些析出Si颗粒所留下的孔洞,为留存的活性材料Si的体积膨胀提供了较大的缓冲空间,也为锂离子的脱出和嵌入提供了通道,促进了离子的传输效率。其中TiO(Si)复合电极2:1的离子扩散系数和电化学性能较为优异。

关键词：锂离子电池 TiO2基负极薄膜电极界面掺杂扩散速率

界面修饰—用于高性能有机场效应晶体管的制备

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界面修饰—用于高性能有机场效应晶体管的制备

作者：杨蕊北京化工大学

学位级别：硕士

界面在有机电子器件中对器件性能起着重要作用,因此影响着有机电子学的发展。针对有机场效应晶体管中的异质界面,界面修饰为提高器件性能提供了一种简单且有效的方案,并占据了相当重要的地位。因此,本文的两个工作分别在电极/半导体和... 详细信息

界面在有机电子器件中对器件性能起着重要作用,因此影响着有机电子学的发展。针对有机场效应晶体管中的异质界面,界面修饰为提高器件性能提供了一种简单且有效的方案,并占据了相当重要的地位。因此,本文的两个工作分别在电极/半导体和介电层/半导体两个不同的界面处引入了具有不同特性的分子,采用了不同的界面修饰手段均使有机场效应晶体管器件性能得到了显著提升,丰富了界面工程在提升有机电子器件性能上的应用。主要工作如下:1.选用了经典聚合物双性离子材料(PZ)在电极表面自组装形成单分子层,修饰源漏电极,提高基于p型聚合物场效应晶体管的器件性能。PZ吸附在金属电极表面,形成强的界面偶极,调节了电极表面功函数,使其与半导体活性层材料的最高占有分子轨道能级更加匹配。实验首先制备了未修饰和经过PZ修饰电极的顶栅器件,发现各性能参数与原始器件相比均有明显提升。并通过一系列表征证实了器件性能提高的原因-电荷注入势垒降低,提高了器件中载流子注入和提取效率,降低了器件接触电阻,从而提升了晶体管器件的载流子迁移率。原子力显微镜和掠入射广角X射线散射表征发现引入PZ在电极表面没有显著影响半导体薄膜的形貌结构与结晶,说明器件性能的提升主要是由电荷注入效率改善引起的。总之,本研究工作在半导体/电极界面引入PZ自组装单分子层,选择性修饰电极表面,显著提升了器件性能,为解决电极/半导体界面缺陷提供了简单有效的方法。2.设计合成了以萘酰亚胺为核的共轭小分子NDI-3NZ,将其引入半导体/介电层界面,对经典半导体材料N2200进行表面掺杂,提升了晶体管器件的电子迁移率。NDI-3NZ本身具有自掺杂效应,使其具有较高的电导率。通过一系列表征手段说明了掺杂剂和被掺杂分子之间的相互作用。由于NDI-3NZ和半导体活性层之间存在能极差,二者接触时发生分子间电荷转移,提高了沟道中的电子密度,使器件电子迁移率提高。理论计算证明,引入NDI-3NZ在活性层表面后,填充了界面缺陷,导致界面缺陷浓度降低。与此同时,NDI-3NZ edge-on的取向优势使其具有更多的掺杂位点,提升了掺杂效率。本研究课题通过上述这种简单有效的界面掺杂,提升了n型半导体的电子迁移率。

关键词：有机场效应晶体管界面修饰聚合物双性离子界面掺杂载流子迁移率

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倒置有机发光二极管电极接触界面的调控研究

倒置有机发光二极管电极接触界面的调控研究

作者：姜慧慧苏州大学

学位级别：硕士

自有机电致发光二极管（organic light-emitting diodes,OLED）问世以来,其凭借自身广视角、广色域、高刷新率、快速响应等显著优势在显示与照明领域崭露头角。其中,倒置底发射式OLED是一种在实际应用中更具有意义的器件。倒置OLED以氧... 详细信息

自有机电致发光二极管（organic light-emitting diodes,OLED）问世以来,其凭借自身广视角、广色域、高刷新率、快速响应等显著优势在显示与照明领域崭露头角。其中,倒置底发射式OLED是一种在实际应用中更具有意义的器件。倒置OLED以氧化铟锡（indium tin oxide,ITO）为底部阴极,以金属为顶部阳极,其电子、空穴传输层的顺序与传统正置器件相反。倒置OLED因其在主动矩阵驱动的集成电路中与主流的n型薄膜晶体管（thin film transistor,TFT）具有更好的兼容性,可实现更高分辨率的有源矩阵有机发光二极管（active matrix OLED,AMOLED）显示技术。但是,倒置OLED也存在很多问题,例如较高的驱动电压、较低的发光效率等。这些问题的主要来源是倒置结构中底部阴极的电子注入非常困难。本论文基于电子注入的机理,讨论了倒置OLED的电极形貌修饰与电子注入势垒调控两方面的研究,并结合两种手段探讨了制备低电压和高效率的倒置OLED的方法。具体内容如下:首先,利用氩等离子体对具有较高功函数的ITO电极表面进行处理,将其应用到倒置荧光器件和倒置磷光器件的制备中。这种电极修饰的方法可以有效地在其表面构筑小尺寸且分布密集的具有高局部场强的载流子注入热点,提高倒置器件的性能。结果显示,随着等离子体处理时间的增长,驱动电压先减小后增大,并在处理时间为7min时相同电流密度下器件的驱动电压降至最低（100 mA/cm2下倒置荧光器件和倒置磷光器件的电压分别下降了 1.7 V和2.5 V）。而考虑到电极表面形貌的改变会引起光提取效应的增强等,器件的电流效率随着处理时间的增长而单调增加（最大电流效率分别为5.1 cd/A和 45 cd/A）。其次,研究了 n型掺杂Bphen:LiH对ITO/ETL界面势垒的调控行为及对倒置OLED电子注入的影响。这种掺杂可以有效减小界面处注入势垒的宽度,从而增强电子的隧穿。最终使倒置器件的驱动电压大幅度降低（100 mA/cm2下倒置荧光器件和倒置磷光器件的电压分别下降了 2.5 V和4.2 V）)电流效率得以大幅度提高（最大电流效率分别为5.3 cd/A和52cd/A）。因此,新型掺杂电子传输层Bphen:LiH可以在有机光电器件中作为一种有效调控电子注入势垒的手段。最后,结合电极修饰和势垒调控两种手段制备了倒置器件。实验证明两种手段可以进一步增强电子的注入（尤其是在大电流密度下对器件电压的降低更加明显）。并且,将本课题组已制备的倒置器件性能进行对比:本论文所讨论的电极形貌修饰和注入势垒调控结合是最为有效的降低器件工作电压（100 mA/cm2下倒置荧光器件和倒置磷光器件的电压分别降了 3.1 V和4.3 V）、提高发光效率（最大电流效率分别为7 cd/A和60 cd/A）的手段。综上所述,本论文从倒置OLED电极接触界面出发,阐释了倒置OLED电子注入困难的主要原因,提出了相应的解决方案;改进了产生载流子注入热点效应的手段,使用氩等离子体处理ITO电极,有效地增强局部电场强度从而增强电子注入;利用LiH对电极界面的注入势垒进行调控,使注入势垒的宽度有效减小从而增强电子隧穿的几率;证明了两种手段的结合可以实现电子注入效果的叠加。以上增强载流子注入的方法简单有效且具有通用性,为有机电子/光电子器件的界面调控研究提供了有价值的实验信息。

关键词：电子注入电极修饰界面掺杂等离子体处理倒置底发射OLED

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非富勒烯有机太阳能电池中载流子传输研究

非富勒烯有机太阳能电池中载流子传输研究

作者：裴增梁兰州理工大学

学位级别：硕士

有机太阳能电池(Organic solar cells,OSC)因其价格低廉、半透明和可卷对卷印刷引起了人们的极大关注。随着器件结构和材料的创新,OSC的光电转换效率持续提高。在OSC的活性层中形成的光生电荷(载流子)对于器件的光电转换效率起着决定性... 详细信息

有机太阳能电池(Organic solar cells,OSC)因其价格低廉、半透明和可卷对卷印刷引起了人们的极大关注。随着器件结构和材料的创新,OSC的光电转换效率持续提高。在OSC的活性层中形成的光生电荷(载流子)对于器件的光电转换效率起着决定性影响。为了研究OSC中的电荷传输作用,本文选用旋涂(Spin-coating,SC)工艺制备了体异质结(Bulk heterojunction,BHJ)结构OSC,通过对界面层进行掺杂,研究界面层电阻和电荷复合等因素对电荷传输过程的影响;另外,使用自发扩散成膜(Spontaneously spreading,SS)工艺制备了具有垂直相分离效果的平面异质结(Planar heterojunction,PHJ)结构OSC,研究了活性层垂直形貌对电荷传输过程的影响。系统研究了两种工艺对OSC性能的影响,主要结果如下:1.通过SC工艺制备了BHJ光伏器件,对器件结构中的阳极界面层进行改进,基于掺杂自组装小分子2PACz的阳极界面层(HPMO-Sn:2PACz)显示出了良好的光伏性能。其中,由氯化亚锡(Sn Cl)氧化磷钼酸水合物(HPMoO)所得的HPMO-Sn具有与PEDOT:PSS相似光电性能,属于非金属簇化合物,在成本上更具优势。基于高效率PM6:Y6活性层体系,以PEDOT:PSS、HPMO-Sn和HPMO-Sn:2PACz为阳极界面层的器件光伏性能分别为16.45%、16.40%和17.62%。HPMO-Sn:2PACz光致发光和电致发光量子效率更佳表明其拥有更低的活性层/界面层缺陷和非辐射能量损失,从而基于HPMO-Sn:2PACz的OSC具有更高的开路电压。电化学阻抗谱和电导率测量表明加入2PACz的阳极界面层具有更低的串联电阻,从而电荷收集概率更好,这使器件填充因子更高。HPMO-Sn:2PACz为阳极界面层的器件获得的光电转换效率,高于使用HPMO-Sn或PEDOT:PSS的器件,这是PM6:Y6体系报道的最高值之一。2.通过SS工艺制备了PHJ光伏器件,具有垂直相分离形貌的PHJ器件的光电转换效率明显高于BHJ器件。SS工艺避免了旋涂过程中上层溶液对下层薄膜的冲洗作用,可以制备出非正交溶剂处理的PHJ结构器件。首先,利用SS工艺制备了BHJ、PHJ下层和PHJ双层活性层,通过原子力显微镜和透射电子显微镜分析,BHJ结构拥有比较均匀、相分离合适的活性层形貌,PHJ下层活性层中观察到了给体有明显的纤维聚集行为,完整的PHJ结构中观察到明显的受体聚集行为。结果表明,相较于BHJ结构,PHJ器件具有明显的垂直方向上给受体选择性聚集行为。光电流、光电压和空间限制电荷的测量表明PHJ结构拥有更低的分子复合行为和更合适的迁移率,基于PHJ结构的光伏器件光电转换效率(12.00%)明显高于相同方法制作的BHJ器件(10.84%)。

关键词：界面掺杂低成本阳极界面层体异质结结构平面异质结结构垂直相分离

双功能界面层高效稳定卤化铅钙钛矿太阳能电池

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双功能界面层高效稳定卤化铅钙钛矿太阳能电池