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基本信息
- 項目名稱：
- 提高有機共混物太陽能電池膜穩(wěn)定性的研究
- 小類：
- 數(shù)理
- 簡介：
- 聚合物太陽能電池，具有材料來源廣泛、重量輕、制備工藝簡單、可大面積成膜、柔性等優(yōu)點。因此圍繞聚合物太陽能電池膜的穩(wěn)定性及轉(zhuǎn)化效率開展了（1）對PAAM高分子薄膜的大量實驗，分析了影響膜穩(wěn)定性的物理參量。（2）通過研究AFM圖和光學(xué)顯微鏡圖，分析膜的穩(wěn)定性。（3）在高分子MODO-PPV中加入碳納米管以后感光膜對光的吸收。（4）退火對各種太陽能電池膜的吸收光譜的影響。
- 詳細(xì)介紹：
- 聚合物太陽能電池，具有材料來源廣泛、重量輕、制備工藝簡單、可大面積成膜、柔韌性等優(yōu)點而成為人們近年來關(guān)注的熱點。本論文圍繞有機高分子聚合物體異質(zhì)結(jié)太陽能電池材料膜的穩(wěn)定性開展研究工作，主要內(nèi)容及結(jié)論如下： 1、對PAAM高分子薄膜的大量實驗，掌握了洗滌器具，制備薄膜，退火處理，測量觀察，理論解釋等方法。得出了高分子薄膜的一般規(guī)律，初步總結(jié)為下面三條結(jié)論：1）、隨著溶質(zhì)的濃度增大，薄膜越厚，越難破裂。2）、以玻璃為基底的薄膜最穩(wěn)定，云母次之，硅片最差。膜的穩(wěn)定性和基底的浸潤性成正相關(guān)。3）、分子量越大，同條件下制成的薄膜越難破裂。 2、我們完成了MODO-PPV和PCBM兩種高分子材料設(shè)計的七組對照試驗，單獨MODO-PPV、PCBM、MODO-PPV和PCBM的共混聚合物，以及分別加入碳納米管SWNT、DWNT、（CVD）NT目標(biāo)聚合物，并將其成功裝配成光伏電池器件，對器件的光電性能進行測試，并且我們對樣品進行了透射光譜分析，得到薄膜在可見光域的吸收強度分布，譜線在黃綠光波段獲得吸收峰值，滿足預(yù)期效果，使得研究理論更具有推廣應(yīng)用價值。 3、研究不同摻雜濃度對MODO-PPV:PCBM的體異質(zhì)結(jié)有機太陽能電池的影響，尋找MODO-PPV:PCBM的最佳混合濃度。其次，在標(biāo)準(zhǔn)器件結(jié)構(gòu)ITO用EDOT:PSS/MEH-PPV:PCBM(l:4)Al的基礎(chǔ)上，選用不同溫度和梯度化溫度進行退火處理。觀察退火及不同退火溫度、方式對器件性能的影響； 4、在10nm金膜上鍍膜，會形成天然的納米分割域，其間隔恰和有機聚合物太陽能電池膜穩(wěn)定性的研究電子壽命漂移距離相同，成為提高共混物電池效率的又一突破點。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 目前應(yīng)用最廣泛的單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽電池，其器件具有很多缺陷，使其大面積應(yīng)用受到很大的限制。 要使太陽能發(fā)電得到大規(guī)模推廣，就必須降低太陽能電池材料的成本。另外，在一些特殊條件下，工業(yè)生產(chǎn)和日常應(yīng)用需要尋找更合適的太陽能器件。聚合物太陽能電池便是一個最好的選擇。有機聚合物太陽能電池具有低成本、攜帶輕便、操作可控、生產(chǎn)工藝簡單、能夠?qū)崿F(xiàn)大面積使用等優(yōu)點。
科學(xué)性、先進性及獨特之處
- 1．我們首度采用Hell-Shaw Cell裝置，此裝置可控溫度、濕度、氛圍，減小因快速蒸發(fā)制膜過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，從而實現(xiàn)膜的穩(wěn)定性，可實現(xiàn)均勻穩(wěn)定高聚物共混膜。 2．我們從理論上給出膜厚度與壽命的物理規(guī)律，結(jié)合高聚物薄膜中載流子傳播距離（~10nm）和馳豫時間給出最優(yōu)膜厚度，設(shè)計出一種合理的膜結(jié)構(gòu)，兼顧效率和穩(wěn)定性。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- 通過研究太陽能電池膜的相分離機制，從而找到一種合理的制備穩(wěn)定高效的有機高分子太陽能電池薄膜的方法。同時，研究共混膜破裂的動力學(xué)機制，并將其推廣到實際太陽能電池的研究和研發(fā)。 提供了如下現(xiàn)實應(yīng)用價值： 1.設(shè)計出一套制備太陽能有機膜的裝置，最終實現(xiàn)一套基于我們實驗裝置的完整封裝儀器； 2.從理論上提供了一套完整的思路，實現(xiàn)調(diào)控高分子共混物所形成的pn結(jié)截面在空間的最優(yōu)尺度。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 本文按以下幾點依次介紹： 1、對PAAM高分子薄膜的大量實驗，掌握了洗滌器具，制備薄膜，退火處理，測量觀察，理論解釋等方法。得出了高分子薄膜的一般規(guī)律。 2、我們完成了MODO-PPV和PCBM兩種高分子材料設(shè)計的七組對照試驗，單獨MODO-PPV、PCBM、MODO-PPV和PCBM的共混聚合物，以及分別加入碳納米管SWNT、DWNT、（CVD）NT目標(biāo)聚合物，得到薄膜在可見光域的吸收強度分布，譜線在黃綠光波段獲得吸收峰值，滿足預(yù)期效果，使得研究理論更具有推廣應(yīng)用價值。 3、研究不同摻雜濃度對MODO-PPV:PCBM的體異質(zhì)結(jié)有機太陽能電池的影響，尋找MODO-PPV:PCBM的最佳混合濃度。其次，在標(biāo)準(zhǔn)器件結(jié)構(gòu)ITO用EDOT:PSS/MEH-PPV:PCBM(l:4)Al的基礎(chǔ)上，選用不同溫度和梯度化溫度進行退火處理。觀察退火及不同退火溫度、方式對器件性能的影響； 4、在10nm金膜上鍍膜，會形成天然的納米分割域，其間隔恰和電子壽命漂移距離相同，成為提高共混物電池效率的又一突破點。
獲獎情況
- 國家創(chuàng)新實驗立項項目 獲西北大學(xué)校級評審二等獎
鑒定結(jié)果
- 無
參考文獻
- 【1】Serap Gunes；Helmut Neugbauer，and Niyazi Serdar Sariciftci. Chem. Rew. 2007,107,1324-1338 【2】NunziJ.M.C.R. Physique 2002,3 ,523. 【3】Hoppe，H.; Sariciftci,N.S. J.Mater.Chme.2004.19,1924. 【4】Chapin D M， Fuller C S， Pearson G L．J Appl Phys，1954，25(5)：676-677． 【5】Li, G.; Shrotriya, V.; Huang, J.; Yao, Y.; Moriarty, T.; Emery, K.; Yang, Y. Nat. Mater. 2005, 4, 864. 【6】Woo, C. H.; Thompson, B. C.; Kim, B. J.; Toney, M. F.; Fre′chet, J. M. J. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 16324. 【7】Christopher R. McNeill, Benjamin Watts, Lars Thomsen, et al., Nanoscale Quantitative Chemical Mapping of Conjugated Polymer Blends, Nano Lett., 2006, 6 (6), pp 1202–1206. 【8】Rui-Qi Png, Perq-Jon Chia, Jie-Cong Tang, et al., High-performance polymer semiconducting heterostructure
同類課題研究水平概述
- 太陽能電池的研究是當(dāng)前科研領(lǐng)域的熱門課題，基于其各種優(yōu)點，太陽能必將在21世紀(jì)能源結(jié)構(gòu)中占有很大比重。節(jié)省成本非常有效的方法之一無疑是發(fā)展薄膜電池，薄膜電池是許多課題研究的發(fā)展趨勢。對于大多課題組或?qū)嶒炇遥紝⒛抗馔断蛴诒∧ぬ柲苄实膶嶒炐蕴岣?，由于?dāng)前高分子太陽能電池轉(zhuǎn)化效率相對無機硅材料還有一定的提高空間，于是許多化學(xué)科研工作者重點關(guān)注材料化學(xué)合成上，但對其效率低的物理問題很少涉足或者缺乏足夠的認(rèn)識，這為我們從物理機制角度來研究提供了一個契機。 回顧到1992 年，A.J. Heeger 和K.Yoshino兩小組各自獨立發(fā)現(xiàn),從共軛聚合物向富勒烯存在光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移，90年代來，以本體異質(zhì)結(jié)構(gòu)型建立為基礎(chǔ)，聚合物太陽能電池獲得了長足的進展,效率達到 5% ～ 7%,具有極大的發(fā)展?jié)摿?，其中被認(rèn)為未來的研究重點是開發(fā)新型的聚合物光伏材料。2001 年 van Duren J. K.J.等首次提出了應(yīng)用低能帶隙聚合物來擴大光譜響應(yīng), 提高光子的富集效率。隨后SaricifticiN.S.課題組合成出幾種低能帶隙聚合物，分別加入染料momo 2ppv以對活性層進行改性，1995年 ,Heeger A.J.等及 HallsJ.J.等分別獨立地對 MEH 2 PPV 與 CN2 PPV 構(gòu)成的本體異質(zhì)結(jié)器件的效率及光物理性質(zhì)作了詳細(xì)的研究。器件的能量轉(zhuǎn)換效率沒有富勒烯作受體時高，原因可能是載荷的傳輸能力較低。 在當(dāng)前的研究中，有許多研究者發(fā)現(xiàn)共聚物薄膜太陽能電池比多層膜結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)換效率上更有優(yōu)勢，但是當(dāng)前存在的主要問題是這種膜具有穩(wěn)定性問題。例如McNeill等在研究兩種高聚物TFB和F8BT共混制備太陽能電池過程，出現(xiàn)了膜破裂成小的疇結(jié)構(gòu)，以及Rui-Qi Ping等人在使用一種光交聯(lián)方法制備的太陽能電池膜中，也出現(xiàn)了膜演化擴展成為一種多疇織構(gòu)結(jié)構(gòu)，這種破壞性對于器件的轉(zhuǎn)換效率有致命性打擊，但是令人遺憾的是，目前對這個破裂相分離過程的理解相當(dāng)匱乏。同時，J. PEET等人發(fā)現(xiàn)，膜的結(jié)構(gòu)表面形貌如粗糙度、表面結(jié)構(gòu)等對高聚物太陽能電池膜轉(zhuǎn)換效率也有顯著影響。綜合來說，轉(zhuǎn)換效率對膜破裂以及膜的表面物理結(jié)構(gòu)非常敏感，我們將致力于對這種敏感性從相分離物理機制角度出發(fā)，給出合理的解釋，并提出一套抑制破裂的可行性方案。
