摘 要

有机太阳能电池作为一种利用太阳能的重要技术，因其具备价廉、质轻、柔性好等优越的特性，受到越来越多的关注。与传统的二元器件相比，三元有机太阳能电池可以有效地改善太阳能电池的各种性能参数，从而大大提高太阳能电池的光电转换效率。本论文采用相对于卤代试剂更为绿色的邻二甲苯作为加工溶剂，着重研究ITIC的掺杂浓度对PTB7-Th:TPDI2:ITIC三元有机太阳能电池性能的影响。实验结果表明，PTB7-Th:TPDI2:ITIC三元共混有机太阳能电池的光电转换效率从7.02%提高至8.22％，比PTB7-Th:TPDI2二元器件提高了17%，其中开路电压为0.778V，短路电流为16.33 mA/cm²，填充因子为64.7%。

关键词：三元有机太阳能电池；ITIC掺杂；绿色溶剂

Abstract

As an important technology of using solar energy, organic solar cells have attracted more and more attention due to their superior features, such as low cost, light weight, and good flexibility. Compared with the traditional binary devices, the ternary organic solar cells can effectively improve various performance parameters of the solar cells, thereby greatly improving the power conversion efficiency of the solar cells. In this thesis, o-xylene was used as the processing green-solvent instead of the halogenated reagent, and we focused on studying the influence of the doping concentration of ITIC on the performance of the PTB7-Th:TPDI2:ITIC ternary organic solar cells. The experimental results show that the power conversion efficiency of the PTB7-Th:TPDI2:ITIC ternary blended organic solar cells increase from 7.02% to 8.22%, and the efficiency is 17% higher than that of the PTB7-Th:TPDI2, with the open circuit voltage of 0.778 V, the short-circuit current of 16.33 mA/cm² and the fill factor of 64.7%.

Key Words：ternary organic solar cells；ITIC doping concentration；green solvent

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 有机太阳能电池概述 1

1.1.1 有机太阳能电池的工作机理 2

1.1.2 有机太阳能电池的基本分类 3

1.1.3 有机太阳能电池的性能参数 4

1.2 有机太阳能电池中的常用材料 6

1.2.1 聚合物给体材料 6

1.2.2 富勒烯及其衍生物受体材料 7

1.2.3 非富勒烯小分子受体 7

1.3 三元有机太阳能电池 8

1.4 绿色溶剂可加工的有机太阳能电池 9

1.5 本论文主要工作与创新 10

第二章 基于PTB7-Th:TPDI2:ITIC三元体系的研究 11

2.1 引言 11

2.2 实验部分 11

2.2.1 材料及试剂来源 11

2.2.2 仪器及测试表征手段 12

2.2.3 器件的制备 12

2.3 实验结果与分析 13

2.3.1 紫外可见光吸收光谱 14

2.3.2 光伏特性的研究 14

2.3.3 电荷转移与能量传递 16

2.3.4 原子力显微镜 (AFM) 17

2.4 本章小结 18

第三章 总结与展望 19

参考文献 20

致谢 23

第一章 绪论

能源问题是人类历史发展进程中的根本问题，也是影响世界各国发展速度的重要问题。随着科学技术的发展，人类对能源的需求量越来越大，所面临的能源危机日趋严重。煤炭、石油、天然气等作为主要的能量来源，按目前的消耗量，仅供人类再使用30年^[1]，其使用过程中带来的环境污染问题也亟待解决。在这样能源极度紧张、环境污染严重的背景下，寻找绿色新能源替代化石能源已迫在眉睫。在太阳能、风能、潮汐能、地热能等众多新型能源中，太阳能因为具有储量大、可再生、无污染、易获取等优点而备受研究人员的青睐^[2]。太阳能电池作为开发利用太阳能的重要技术之一，通过光电效应或光化学效应直接把光能转化成电能，不仅可以解决能源储量、需求之间不平衡的问题，还可以从根本上解决环境污染问题^[3]。因此，其发展是一个必然的趋势。太阳能电池多种多样，包括硅太阳能电池、多元化合物太阳能电池、有机太阳能电池以及染料敏化太阳能电池等。其中有机太阳能电池因具有独特的优势已成为重点研究的对象之一^[4]，其优势体现在：一方面，有机原材料价廉易得、合成成本低；另一方面，器件制备工艺简单，可采用旋涂、刮涂及印刷等多种方式成膜，可以实现大面积生产；除此之外，它还具有柔性、可穿戴的优点，丰富了有机太阳能电池的应用范围。由此可见有机太阳能电池极具发展前景^[5-7]。

1.1 有机太阳能电池概述

1954年，贝尔实验室首次制备出光电转换效率为6%的单晶硅太阳能电池，这是第一块具有实用价值的太阳能电池，开创了光电转换研究的先河^[8]。最初发展起来的太阳能电池是硅晶无机太阳能电池，当无机太阳能电池的能量转换效率接近28%后，其研究几乎达到了顶峰，很难再有突破性进展，另一方面，原料成本高、生产工艺复杂等因素，限制了它的大规模生产利用。随后兴起的是第二代太阳能电池——薄膜太阳能电池，与硅晶太阳能电池相比，它具有成本较低，可见光吸收能力较强等优点，而其主要缺点是效率低，电池不稳定，能量转化效率基本小于10%^[9,10]，可见第二代太阳能电池也不是最理想的选择。

在过去几十年中，随着研究的推进，第三代太阳能电池——有机太阳能电池取得了长足的发展。早在1958年，Kearns和Calvin^[11]就制备出第一个有机光电转化器件，由镁酞菁(MgPc)染料夹在两个功函数不同的电极之间构成，在光照条件下产生了200mV的开路电压。在接下来的二十多年中，研究人员尝试过许多不同的材料，但均未取得很好的成果。直到1986年，邓青云^[12]博士改进了器件的核心结构，首次提出双层结构的有机太阳能电池，以铜酞菁(CuPc)作为p型半导体，四羧基苝衍生物(PV)作为n型半导体，其光电转换效率达到了1%，填充因子达到65%。同时，提出了电子给体（p型）/电子受体（n型）有机双层异质结的概念，是有机太阳能电池发展史上的一个里程碑。而后在1995年，Heeger^[13]课题组首次采用体异质结结构制备有机太阳能电池，聚苯乙烯(MEH-PPV)和C₆₀衍生物的混合溶液制备活性层，形成互穿网络结构，在光诱导下可发生超快电荷转移且速率远远大于其逆向过程，载流子复合几率大大减小，光电转换效率到达2.9%。从此，体异质结有机太阳能电池成为了研究主流。近年来，有机太阳能电池的光电转换效率迅猛提升。2005年，Heeger^[14]等在制备电极后再对器件进行热退火处理，有效提高了有机太阳能电池的光电转换效率，可达5%。2013年，加州大学洛杉矶分校(UCLA)的杨阳^[15]教授制备了光电转换效率高达7.9%的单节电池和10.6%的串联电池。随着新型有机光伏材料的不断发展和器件的优化手段更加成熟，单节有机太阳能电池的能量转化效率已经超过14%^[16]。2018年，侯剑辉^[17]课题组通过仔细的器件优化，使用全溶液加工的方法成功地在叠层电池中获得了14.9%的能量转化效率。这是目前报道的有机太阳能电池的最高光电转换效率。这样的成果让人们看见了有机太阳能电池的未来，给人类打开了一扇新能源的大门。

1.1.1 有机太阳能电池的工作机理

有机太阳能电池工作原理包括激子的产生、激子的扩散、激子的解离和自由载流子的收集4个过程。工作原理如图1.1所示。

图1.1 有机太阳能电池光电转换工作原理^[18]

首先，活性层在太阳光照射下吸收光子，当光子的能量大于有机半导体材料的禁带宽度，就会把电子从最高占据分子轨道(Highest Occupied Molecular Orbital, HOMO)激发到最低未占据分子轨道(Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUMO)从而产生激子——电子空穴对（_A）。大多数器件在这一过程，只有一部分入射光被吸收，其原因主要是以下三个方面：第一，有机半导体材料的能带隙太大，只能吸收大约30%的太阳辐射光。第二，有机活性层太薄。通常活性层的最佳厚度为100 nm，使得在吸收光谱范围内的光子也不能被完全吸收，而单纯的增加厚度会导致载流子的传输效率和器件的填充因子下降。因此，提高有机半导体材料的迁移率，是提升吸收效率的有效方法。第三，器件表面造成的光反射也是效率损失的一大原因。

然后，激子扩散到电子给体(Donor, D)/电子受体(Accepter, A)的异质结界面处（_D）。一般来说，由于有机分子间的范德华力较弱，距离界面10nm内的激子才有可能发生解离，超过这个距离的激子会重新复合。

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