基本信息
- 项目名称：
- 提高有机共混物太阳能电池膜稳定性的研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 聚合物太阳能电池，具有材料来源广泛、重量轻、制备工艺简单、可大面积成膜、柔性等优点。因此围绕聚合物太阳能电池膜的稳定性及转化效率开展了（1）对PAAM高分子薄膜的大量实验，分析了影响膜稳定性的物理参量。（2）通过研究AFM图和光学显微镜图，分析膜的稳定性。（3）在高分子MODO-PPV中加入碳纳米管以后感光膜对光的吸收。（4）退火对各种太阳能电池膜的吸收光谱的影响。
- 详细介绍：
- 聚合物太阳能电池，具有材料来源广泛、重量轻、制备工艺简单、可大面积成膜、柔韧性等优点而成为人们近年来关注的热点。本论文围绕有机高分子聚合物体异质结太阳能电池材料膜的稳定性开展研究工作，主要内容及结论如下： 1、对PAAM高分子薄膜的大量实验，掌握了洗涤器具，制备薄膜，退火处理，测量观察，理论解释等方法。得出了高分子薄膜的一般规律，初步总结为下面三条结论：1）、随着溶质的浓度增大，薄膜越厚，越难破裂。2）、以玻璃为基底的薄膜最稳定，云母次之，硅片最差。膜的稳定性和基底的浸润性成正相关。3）、分子量越大，同条件下制成的薄膜越难破裂。 2、我们完成了MODO-PPV和PCBM两种高分子材料设计的七组对照试验，单独MODO-PPV、PCBM、MODO-PPV和PCBM的共混聚合物，以及分别加入碳纳米管SWNT、DWNT、（CVD）NT目标聚合物，并将其成功装配成光伏电池器件，对器件的光电性能进行测试，并且我们对样品进行了透射光谱分析，得到薄膜在可见光域的吸收强度分布，谱线在黄绿光波段获得吸收峰值，满足预期效果，使得研究理论更具有推广应用价值。 3、研究不同掺杂浓度对MODO-PPV:PCBM的体异质结有机太阳能电池的影响，寻找MODO-PPV:PCBM的最佳混合浓度。其次，在标准器件结构ITO用EDOT:PSS/MEH-PPV:PCBM(l:4)Al的基础上，选用不同温度和梯度化温度进行退火处理。观察退火及不同退火温度、方式对器件性能的影响； 4、在10nm金膜上镀膜，会形成天然的纳米分割域，其间隔恰和有机聚合物太阳能电池膜稳定性的研究电子寿命漂移距离相同，成为提高共混物电池效率的又一突破点。
作品图片
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目前应用最广泛的单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳电池，其器件具有很多缺陷，使其大面积应用受到很大的限制。 要使太阳能发电得到大规模推广，就必须降低太阳能电池材料的成本。另外，在一些特殊条件下，工业生产和日常应用需要寻找更合适的太阳能器件。聚合物太阳能电池便是一个最好的选择。有机聚合物太阳能电池具有低成本、携带轻便、操作可控、生产工艺简单、能够实现大面积使用等优点。
科学性、先进性及独特之处
- 1．我们首度采用Hell-Shaw Cell装置，此装置可控温度、湿度、氛围，减小因快速蒸发制膜过程中产生的内应力，从而实现膜的稳定性，可实现均匀稳定高聚物共混膜。 2．我们从理论上给出膜厚度与寿命的物理规律，结合高聚物薄膜中载流子传播距离（~10nm）和驰豫时间给出最优膜厚度，设计出一种合理的膜结构，兼顾效率和稳定性。
应用价值和现实意义
- 通过研究太阳能电池膜的相分离机制，从而找到一种合理的制备稳定高效的有机高分子太阳能电池薄膜的方法。同时，研究共混膜破裂的动力学机制，并将其推广到实际太阳能电池的研究和研发。 提供了如下现实应用价值： 1.设计出一套制备太阳能有机膜的装置，最终实现一套基于我们实验装置的完整封装仪器； 2.从理论上提供了一套完整的思路，实现调控高分子共混物所形成的pn结截面在空间的最优尺度。
学术论文摘要
- 本文按以下几点依次介绍： 1、对PAAM高分子薄膜的大量实验，掌握了洗涤器具，制备薄膜，退火处理，测量观察，理论解释等方法。得出了高分子薄膜的一般规律。 2、我们完成了MODO-PPV和PCBM两种高分子材料设计的七组对照试验，单独MODO-PPV、PCBM、MODO-PPV和PCBM的共混聚合物，以及分别加入碳纳米管SWNT、DWNT、（CVD）NT目标聚合物，得到薄膜在可见光域的吸收强度分布，谱线在黄绿光波段获得吸收峰值，满足预期效果，使得研究理论更具有推广应用价值。 3、研究不同掺杂浓度对MODO-PPV:PCBM的体异质结有机太阳能电池的影响，寻找MODO-PPV:PCBM的最佳混合浓度。其次，在标准器件结构ITO用EDOT:PSS/MEH-PPV:PCBM(l:4)Al的基础上，选用不同温度和梯度化温度进行退火处理。观察退火及不同退火温度、方式对器件性能的影响； 4、在10nm金膜上镀膜，会形成天然的纳米分割域，其间隔恰和电子寿命漂移距离相同，成为提高共混物电池效率的又一突破点。
获奖情况
- 国家创新实验立项项目 获西北大学校级评审二等奖
鉴定结果
- 无
参考文献
- 【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
同类课题研究水平概述
- 太阳能电池的研究是当前科研领域的热门课题，基于其各种优点，太阳能必将在21世纪能源结构中占有很大比重。节省成本非常有效的方法之一无疑是发展薄膜电池，薄膜电池是许多课题研究的发展趋势。对于大多课题组或实验室，都将目光投向于薄膜太阳能效率的实验性提高，由于当前高分子太阳能电池转化效率相对无机硅材料还有一定的提高空间，于是许多化学科研工作者重点关注材料化学合成上，但对其效率低的物理问题很少涉足或者缺乏足够的认识，这为我们从物理机制角度来研究提供了一个契机。 回顾到1992 年，A.J. Heeger 和K.Yoshino两小组各自独立发现,从共轭聚合物向富勒烯存在光诱导电子转移，90年代来，以本体异质结构型建立为基础，聚合物太阳能电池获得了长足的进展,效率达到 5% ～ 7%,具有极大的发展潜力，其中被认为未来的研究重点是开发新型的聚合物光伏材料。2001 年 van Duren J. K.J.等首次提出了应用低能带隙聚合物来扩大光谱响应, 提高光子的富集效率。随后SaricifticiN.S.课题组合成出几种低能带隙聚合物，分别加入染料momo 2ppv以对活性层进行改性，1995年 ,Heeger A.J.等及 HallsJ.J.等分别独立地对 MEH 2 PPV 与 CN2 PPV 构成的本体异质结器件的效率及光物理性质作了详细的研究。器件的能量转换效率没有富勒烯作受体时高，原因可能是载荷的传输能力较低。 在当前的研究中，有许多研究者发现共聚物薄膜太阳能电池比多层膜结构在转换效率上更有优势，但是当前存在的主要问题是这种膜具有稳定性问题。例如McNeill等在研究两种高聚物TFB和F8BT共混制备太阳能电池过程，出现了膜破裂成小的畴结构，以及Rui-Qi Ping等人在使用一种光交联方法制备的太阳能电池膜中，也出现了膜演化扩展成为一种多畴织构结构，这种破坏性对于器件的转换效率有致命性打击，但是令人遗憾的是，目前对这个破裂相分离过程的理解相当匮乏。同时，J. PEET等人发现，膜的结构表面形貌如粗糙度、表面结构等对高聚物太阳能电池膜转换效率也有显著影响。综合来说，转换效率对膜破裂以及膜的表面物理结构非常敏感，我们将致力于对这种敏感性从相分离物理机制角度出发，给出合理的解释，并提出一套抑制破裂的可行性方案。
