论文总字数：20450字

摘 要

太阳能电池是一种可以通过光子与物体相互作用，吸收光子，从而转变为电能的装置，对于聚合物太阳能电池而言，光子是被有机半导体材料所吸收，造成电子能级跃迁，最终产生电压电流，这样便可以实现太阳光发电，聚合物太阳能电池也具有很多的优点，如可以在溶液下制备，且其质量比其他同类型的太阳能电池要轻的多，最重要的是其成本低，有望大规模生产。在最近的十几年中，随着对聚合物太阳能电池(PSCs)研究的日益深入，有机光伏发电技术在迅速发展，并具有广阔的前景。由于人们不断的开发出高效的给体材料和受体材料，同时设计了新的器件结构并采用更优的界面修饰，基于本体异质结型的聚合物太阳能电池取得了很大的进步。相较于Kearns和Calvin在1958年制备的第一个有机光电转换器件，基于PJ1（给体）与PBDB-T（受体）的全聚合物太阳能电池的能量转化效率（PCE）已达14.4％，是到目前为止制备的all-PSC报告的最高值。^[1]本文主要内容如下：

1. 通过阅读国内外关于有机太阳能电池器件的相关文献，了解制备该器件的不同方法以及最新的给受体材料，总结目前太阳能电池的最新进展和依旧存在的问题。
2. 对有机太阳能电池的发展历程，基本结构，工作机理，薄膜的制备方法，器件的性能参数，制备好的器件如何表征进行简要的说明。
3. 通过设计不同的添加剂进行实验，了解烷烃以及芳香烃添加剂对器件性能的影响。

关键词：全聚合物太阳能电池；活性层；能量转换效率

Abstract

A solar cell is a device that can absorb photons through objects interact with it, thereby transforming photons into electrical energy. For polymer solar cells, photons are absorbed by organic semiconductor materials, causing electronic energy level transitions, which ultimately generate voltage and current. In this way, solar power can be realized. Polymer solar cells also have many advantages. For example, they can be prepared in solution, and their quality is much lighter than other solar cells of the same type. The most important thing is their low cost and the expected mass production. In the past ten years, with the deepening of research on polymer solar cells (PSCs), organic photovoltaic power generation technology is developing rapidly and has broad prospects. As people continue to develop efficient donor materials and acceptor materials, while designing new device structures and using better interface modifications, polymer solar cells based on bulk heterojunctions have made great progress. Compared with the first organic photoelectric conversion device prepared by Kearns and Calvin in 1958, the energy conversion efficiency (PCE) of the all-polymer solar cell based on PJ1 (donor) and PBDB-T (acceptor) has reached 14.4% which is the highest value of the all-PSC report prepared so far. The main contents of this article are as follows:

1. By reading the relevant literature on organic solar cell devices at home and abroad, understand the different methods of preparing the device and the latest donor-acceptor materials, and summarize the current progress of the solar cells and the existing problems.
   (2) Briefly explain the development process, basic structure, working mechanism, thin film preparation method, device performance parameters, and how to characterize the prepared device of organic solar cells.
   (3) Experiment by designing different additives to understand the influence of alkanes and aromatic hydrocarbon additives on device performance.

Keywords: all-polymer solar cell; active layer; energy conversion efficiency

目 录

第1章 绪论………………………………………………………………………………………1

1.1 引言………………………………………………………………………………………1

1.2 聚合物太阳能电池…………………………………………………………………2

1.2.1 聚合物太阳能电池发展历程………………………………………………………2

1.2.2 聚合物太阳能电池特点……………………………………………………………3

1.2.3 聚合物太阳能电池构造及工作原理………………………………………………4

第2章 不同调控方法对聚合物太阳能电池性能的影响……………………………………7

2.1 给体和受体材料对性能的影响…………………………………………………………7

2.2 溶剂与添加剂对性能的影响……………………………………………………………8

2.3 处理工艺对性能的影响…………………………………………………………………10

2.4 涂布工艺对性能的影响…………………………………………………………………12

第3章 旋涂法制备有机光伏薄膜并进行可行性分析………………………………………14

3.1 前言……………………………………………………………………………………13

3.2 实验部分…………………………………………………………………………………14

3.2.1 实验药品与耗材……………………………………………………………………15

3.2.2 实验仪器及其原理与操作步骤……………………………………………………15

3.2.3 实验步骤与表征及可行性分析……………………………………………………16

第4章 总结与展望…………………………………………………………………………………………19

参考文献……………………………………………………………………………………………………20

致谢……………………………………………………………………………………………………………22

第1章 绪论

1.1引言

在进入现代化以来，能源就一直是人们重视的问题，但由于对化石燃料的过度开采，导致自然界化石燃料的产出远远不及消耗，甚至有人预测全球在地下储存的化石燃料会被我们在短短几百年内耗尽，但我们对能量的需求却源源不断，同时为了避免化石能料燃烧对环境的污染，因此寻找一个可再生的清洁能源成为一个热点问题。而在所有的可再生能源中，太阳能具有十分巨大的潜力。太阳能电池顾名思义是一种可以利用太阳光发电的器件，在接受到光照时，他能与光子发生反应从而产生电压和电流。到目前为止，经历了三个阶段的太阳能电池以日渐成熟，硅基太阳能电池由于其效率高，原料多首先被开发，薄膜太阳能电池紧随其后被研究，最后随着时间的发展开发出了第三类太阳能电池。下面是这三类太阳能电池的简略发展过程。硅基太阳能电池作为第一种被广泛应用的太阳能电池自有其原因，其耐久性很好，可以长期使用，同时它的能量转换效率也较高，但由于它的生产成本高且现研究已经快达到它的临界能量转换效率，无法进一步发展。所以需要寻求新的材料来发展太阳能电池，便有了薄膜太阳能电池，比如对热不敏感，可以吸收很宽波长同时能量转换效率高达28%的砷化镓（GaAs）等Ⅲ-Ⅴ族化合物，其可以制作高效的单节电池，但它的成本限制了它的进一步发展，同样，比非晶硅薄膜太阳能电池成本低，能量转换效率高同时可以大量生产的硫化镉（CdS）化合物制备的薄膜太阳能电池可以说是一种理想的太阳能电池材料，但是镉属于重金属，有剧毒，对环境也会造成影响，不得不寻求新的太阳能电池材料，铜铟镓锡（CIGS） 便受到了关注，其具有很多优点，成本低，效率高，不会光致衰退，容易生产制备，具有可工厂化的大部分优点，但其却含有一个难以大量获得，较为稀有的元素铟，难以广泛生产应用。最后便是基于溶液法制备的以染料敏化，有机和钙钛矿为代表的太阳能电池。这类太阳能电池尚在不断完善中，但其很多性能已经赶超了前两者，在他们其中，有机太阳能电池具有一些独特优势：质量轻，以及可以通过卷对卷印刷技术在塑料的基板上进行大面积生产，是较于硅基太阳能电池的一种具有很好的成本效益的替代品。PCE、FF、JSC和VOC是有机光伏器件最主要的质量指标，其中PCE最为重要。而活性层材料，包括聚合物和小分子半导体在能量转换中扮演着重要的角色，最终决定着光伏器件的光电特征。通过加入添加剂，改变溶剂体系等处理工艺，从而调节活性层形貌，可以达到更高的PCE。

1.2聚合物太阳能电池

1.2.1聚合物太阳能电池发展历程

到目前为止，有机太阳能电池的发展愈加完善，肖特基有机太阳能电池的发明给我们开通了使用有机物制备太阳能电池的先河，双层有机太阳能电池极大的提高了有机太阳能电池效率，使有机太阳能电池得以发展壮大，体异质结电池使得有机太阳能电池广泛应用有望实现。世界上第一个有机光电转换器是由Kearns和Calvin制备的，这是一种三明治型结构，被人称作为“肖特基型”器件，他们将钛菁镁（MgPc）这种有机材料夹在两个电极之间，而这两个电极的功函数（WF）不同，在经过一定强度的光照产生了大概200 mV的开路电压。^[2]该类器件的工作原理为：光照时，有机层吸收光子，在光子作用下电子发生能级跃迁，从而形成电子-空穴对，但由于所选电极的WF不同，会在器件内形成一个内建电场，在该电场作用下扩散到电极界面处的电子-空穴对才有可能分离，最终被电极收集形成电压和电流。然而电子-空穴对扩散距离极短，仅有10nm，导致大部分的激子发生复合，造成电池的转换效率低下，无法应用于生产实践中。在此之前，有机太阳能电池由于效率低下，没有进入人们视野，然而在1986年，华人科学家邓青云博士使得有机太阳能电池开始进入人们视线，他选取的核心层材料为四羧基苝衍生物（PV）和钛菁铜（CuPc），然后按照硅基电池的p-n结双层结构，其制备出了光电转化效率（PCE）1%左右的电池，这具有里程碑意义，标志着有机材料可以应用于太阳能电池，相较于肖特基型电池，有机双层平面异质结电池的半导体界面存在p-n 结，而由于给体和受体材料之间存在能极差，会使得扩散到该界面的电子-空穴对发生分离，被分离的激子数量增加，从而使得该种结构的太阳能电池效率远高于肖特基型电池的效率，但是由于p-n的接触面积很小，仍不足以进行实际应用。因此仍需寻找更优的器件结构，在1992年时，一个有趣的现象被Sariciftci发现，他发现被激发的电子难以从C60分子中进入有机半导体分子，反过来却十分迅速，这种现象刚好可以用在太阳能电池中减少激子的复合，由于这种特殊的现象，C60可以作为优良的电子受体材料，接下来也成为了研究的热点，渐渐的也发现了它们的机理，此类的双层电池仅在C60/聚合物接触界面的数十nm的异质结处发挥作用，为了使激子能够在复合前到达p-n结的界面，人们便开始寻找新的方法，这种方法便是将给体材料和受体材料按一定比例混合在溶剂中，然后制成一个薄膜，由于给受体材料是均匀混合在溶剂中，所以在该薄膜中遍布p-n结，极大的增加了p-n结界面的接触面积，这样便可以大幅度的提高能量转换效率，而该种结构也被称作为体异质结结构。

1.2.2 聚合物太阳能电池特点

有机太阳能电池从吸收光子到产生电流的过程于无机相比有些不同，首先是在一定光强下，光子被半导体吸收，电子发生能级跃迁，在库仑力下形成空穴-电子对，再在内建电场下发生扩散，扩散到材料与电级的接触界面，其次是在界面处没有发生复合的激子发生分离产生载流子，最后便是光生载流子的收集，载流子被电级收集形成电压和电流。但是，空穴-电子对在活性层中无法长久存在，容易发生复合，这就给进一步发展太阳能电池带来了困难，这会使得电池的能量转换效率变低，一个有效的办法就是建立给受体体系，形成体异质结结构，这种异质结结构中，p型为给体，n型为受体，为了使空穴-电子对在p-n结界面发生分离，给体的LUMO能级要比受体LUMO能级低。

全聚合物太阳能电池的活性层由受体材料和给体材料制备，其可以分成两类其中一种是以层状薄膜的形式，分别将受体材料和给体材料制成薄膜，然后将它们按交替顺序叠加，这样便组成了活性层，这种结构被称作层状异质结型结构，另外一种则是体异质结结构，其将给受体材料按一定比例混合在溶剂中，形成均匀的薄膜，通过比较这两中结构的太阳能电池，第一种虽然拥有可以促进激子进行分离的异质结界面，但效率仍然很低，主要是因为层状异质结界面的接触面积很有限，使得仍然有很多激子复合，影响了激子的分离，同时由于激子扩散长度有限，只能在靠近界面附近的区域才能达到界面进行分离，而离得远的激子无法扩散这么远，在扩散的途中它们就会发生复合，同时对于载流子迁移率而言，有机半导体往往很低，大量的载流子无法到达电极被收集，所以该类的有机太阳能电池无法得到很好的发展，对于第二种有机太阳能电池，由于其活性层是由给体和受体混合而成的，这两种材料相互贯穿，会形成一个双连续的网络结构，这就会导致给体和受体的接触面积大大增加，同时该界面存在于整个活性层中，使得激子到界面的距离增加，有利于激子的扩散以及使得更多的激子得以发生分离，极大的提高了能量转换效率。给受体材料以及两种材料的混合比对能量转换效率也有很大影响。当然，也可以通过一系列的处理工艺如改变添加剂，退火等来获得更优的能量转换效率。

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