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随着全球能源消耗的增加,对可再生能源的有效利用成为急待解决的问题。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源,对太阳能的合理利用将能够极大地缓解人类所面临的能源危机问题。聚合物固体薄膜太阳能电池采用共轭聚合物作为材料,具有加工方法简单,制备成本低廉,能制备大面积及柔性器件等优点,近十几年来受到人们的普遍关注。各国科学家,从材料的合成和器件的优化对聚合物太阳能电池做了深入研究,在研究和应用方面均取得了可喜成果。尽管如此,目前太阳能电池的能量转换效率还较低,刚达到6.5％左右水平,离商业化还有一段距离。因此聚合物太阳能电池面临着巨大的挑战,只有得到更高效率、性能稳定的聚合物太阳能电池,才能实现聚合物太阳能电池的商业化。
太阳电池性能主要由太阳光的吸收、光生激子的产生、光生电荷的传输、光生电荷的收集几个方面决定。而有效的太阳光吸收,快速平衡的光生电荷的传输及光生电荷有效的电极收集是提高器件性能的关键。太阳电池性能的提高不仅与给体材料与受体材料的种类有关,更与器件的制作工艺有关。P3HT由于具有较高的电荷迁移率,较好的太阳光吸收及良好的环境稳定性,PCBM也具有良好的电学性能,在给体与受体共混结构体系中,P3HT:PCBM体系是有机材料中最有前途,性能最好的体系之一。本论文以P3HT:PCBM为研究体系,研究了热处理及延长活性层膜的干燥时间等工艺方面的改进来提高器件性能。器件在AM1.5模拟太阳光照射下,短路电流为9.66 mA/cm2,开路电压为0.55 V,填充因子为64.6％,能量转换效率达3.43％。并从UV-vis、Photoluminescence(PL)、单电荷暗导J-V曲线、photosensitivity(PS)、AFM等方面来说明了器件性能提高的原因。这些研究表明,器件工艺的改进能提高P3HT的共轭长度,增加电荷的传输能力及太阳光的吸收。
半导体纳米晶由于具有较高的电子亲和能和电子迁移率,半导体纳米晶作为受体相在聚合物太阳电池中的应用己成为纳米晶材料应用的研究的一个大的分支领域。本论文研究了纳米晶TiO_2在聚合物太阳电池中的应用。讨论了不同比例的高分子P3HT或MEH-PPV与TiO_2共混体系太阳电池的性能,并从表征器件多方面说明了器件性能提高的原因。P3HT:TiO_2体系器件在AM1.5模拟太阳光照射下,短路电流为2.054 mA/cm2,开路电压为0.45 V,填充因子为44.4％,能量转换效率达0.41％。
器件的结构的优化也是提高器件性能的一个重要方面,本论文以MEH-PPV:PCBM为体系研究了太阳电池阴极插入C60及PFN有利于提高器件性能,并对器件的结果进行了合理的解释。本论文也做出其它结构的器件并对几种新型聚合物材料与PCBM共混太阳电池进行了研究及优化。