【摘 要】
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有机太阳能电池领域在近几年得到了迅速的发展,目前有机太阳能电池的光电转换效率(PCE)最高已经达到18%以上。然而,有机太阳能电池的高效率器件目前大部分还停留在实验室制备阶段,要实现有机太阳能电池的产业化还得解决大面积制备工艺的问题,并且还要考虑电池制备的材料成本和加工成本的问题。采用溶液刮涂的方法制备大面积有机太阳能电池能减少材料的浪费以及简化加工工序,本文的主要工作是对有机太阳能电池的刮涂法制
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有机太阳能电池领域在近几年得到了迅速的发展,目前有机太阳能电池的光电转换效率(PCE)最高已经达到18%以上。然而,有机太阳能电池的高效率器件目前大部分还停留在实验室制备阶段,要实现有机太阳能电池的产业化还得解决大面积制备工艺的问题,并且还要考虑电池制备的材料成本和加工成本的问题。采用溶液刮涂的方法制备大面积有机太阳能电池能减少材料的浪费以及简化加工工序,本文的主要工作是对有机太阳能电池的刮涂法制备以及溶液法制备空穴传输层这两个方面进行研究。首先,第一部分工作是对有机太阳能电池刮涂法制备的工艺参数进行探索和研究。通过控制变量法研究各个参数变化对成膜厚度和形貌的影响,其中重要的参数有刮刀狭缝高度、刮涂速度、干燥条件、添加剂含量等。本实验调控刮涂法最佳参数为:狭缝高度150 um,刮涂速度5 mm/s,干燥条件为在25℃下吹风干燥,1,8-二碘辛烷(DIO)含量为0.25 mg/ml。在基于P3HT:o-IDTBR体系中,采用刮涂法制备了0.04 cm~2的有机太阳能电池器件,其效率达到5%左右。刮涂法制备的1 cm~2的器件效率也可保持在4.6%,与旋涂法制备的有机太阳能电池效率十分接近。说明刮涂法在器件的制备上与旋涂法有相近的效果,而在大面积器件制备中刮涂法又具有较大的优势,因此刮涂法更有利于有机太阳能电池的产业化制备。第二部分工作主要是针对采用刮涂法制备可应用的大面积有机太阳能电池。我们通过采用邻二甲苯无卤溶剂对活性层给受体材料进行溶解,在基于PTB7-Th﹕IEICO-4F体系中,得到光电转换效率为4%左右的四串联有机太阳能电池模组,有效面积16 cm~2。然后采用混合溶剂的方法,提高溶剂的溶解性和沸点,以达到更好的刮涂成膜效果。当邻二甲苯:四氢化萘体积比为8﹕2时,刮涂得到活性层的成膜均匀性和形貌最好,将器件效率提高到6.4%。之后我们制备出半透明的大面积单片有机太阳能电池,效率为0.5%,可见光透过率为16%左右,有效面积为20 cm~2。第三部分工作是在倒装有机太阳能电池中采用溶液法制备的聚乙撑二氧噻吩-聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)代替高能耗真空蒸镀法制备的氧化钼作为空穴传输层。通过于PEDOT:PSS水溶液中加入醇类溶剂共混,得到表面张力更低的PEDOT:PSS改性溶液,然后使用旋涂法将PEDOT:PSS沉积于活性层上形成空穴传输层,基于PM6﹕BTP-e C9体系,得到光电转换效率为13%左右的有机太阳能电池。于PEDOT:PSS层上再旋涂Ni Ox纳米颗粒溶液时,器件效率提升到14%以上,且当Ni Ox纳米颗粒溶液浓度为5 mg/ml时,得到PCE为15.50%的高效的有机太阳能电池。该工作为溶液法加工倒装有机太阳能电池的空穴传输层提供了新方案,为日后有机太阳能电池产业化全溶液加工提供了技术储备。
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