基于ZnO/PFNBr双界面修饰层的有机太阳能电池的研究开题报告

全文总字数：4614字

1. 研究目的与意义（文献综述）

随着经济和科技的快速发展，能源短缺和环境污染问题日益严重，开发新能源、清洁能源是当务之急，因此有机太阳能电池的研究已成为当今的热点。通过设计光电性能优异的给受体分子，尽可能对太阳光充分吸收利用，通过不断优化太阳能电池结构，使其具有高稳定性。有机太阳能电池在过去的几十年里发展突飞猛进，其光电转换效率已超过15%，越来越接近商业化的门槛。此外，大量的研究表明，界面修饰对器件光电转换效率的提升起着重要的作用。有机太阳能电池经历了四次发展，分别是单层膜肖特基太阳能电池、双层膜D/A异质结太阳能电池、体异质结太阳能电池以及叠层太阳能电池。在体异质结太阳能电池的结构中，出现了界面修饰层，它位于金属电极和有机活性层之间。界面修饰层可分为阴极界面修饰层（ZnO、In₂O₃、LiF、PFN、PFNBr等）和阳极界面修饰层（MoO₃、V₂O₅、PEDOT：PSS等）。界面修饰层的作用：1)可以降低电极的功函数；2)阻止给受体材料与金属电极发生化学反应，提高器件稳定性；3)使活性层可以与电极之间形成良好的欧姆接触与界面偶极矩，降低电子或空穴注入势垒，提高载流子的传输能力，进而提高有机太阳能电池的光电转换效率。因此，通过引入双界面修饰层（ZnO/PFNBr）来提高P3HT:PC₇₁BM太阳能电池性能是本课题的目的。现如今，有机太阳能电池的发展还存在很多问题，器件稳定性不高、器件效率仍低于无机硅太阳能电池、器件大面积制备远不如实验室制备的小型器件性能。此外，界面修饰层应用在光伏领域的时间还较短，对其在器件中的作用机理研究还不够成熟。因此，需要更多的科研工作者付出大量的时间和精力投入到有机太阳能电池的研究之中。本课题对ZnO和PFNBr阴极界面修饰层在体异质结器件中所发挥作用的探索，通过AFM、PL、SCLC对进一步理解界面材料的作用机理具有重要意义，同时也对未来设计性能优异的新型界面修饰层材料具有指导意义。通过不断的研究探索，有机太阳能电池作为新型绿色能源器件将会在未来的生活中扮演重要的角色，为能源短缺、环境污染等问题带来好的解决方案。

2. 研究的基本内容与方案

本研究选定以P3HT为给体材料，以为受体材料制备有机太阳能电池器件，通过逐步优化继而达到提升器件性能的目的。对制备的有机太阳能电池进行J-V、EQE、AFM、PL、SCLC等表征测试，对其光电性能、薄膜形貌、载流子迁移率等性质进行研究。然后分析实验结果，探究ZnO/PFNBr双界面修饰层对有机太阳能电池性能提升之间的关系。最后，分析总结数据，撰写毕业论文。选定好合适的给受体材料后，对于有机太阳能电池器件的优化是本研究的重点，优化的步骤:1.选择合适的溶剂共混给受体材料；2.选择合适的溶剂浓度；3.选择合适的给受体比例；4.选择合适的活性层旋涂速度以调节给受体共混膜的膜厚；5.选择合理的退火时间和温度或者合理的溶剂(四氢呋喃、三氯甲烷等)对旋涂好的器件进行退火处理以调节共混膜的形貌。将ITO/ZnO/P3HT:PC₇₁BM/Ag器件与ITO/ZnO/PFNBr/P3HT:PC₇₁BM/Ag器件作对照。在此基础上，通过材料表征等辅助手段，实现对阴极修饰层作用机理的探索，提高器件光电转换效率。

3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅相关文献，了解有机太阳能电池的概况、工作原理、研究进展；了解水/醇溶性芴类电介质的光电特性；设计相关实验流程。另外，完成英文文献翻译。

第4-6周：熟悉相关实验操作，学会制备标准器件，能重接近或达到其文献所报道器件光电转换效率。

第7-14周：完成既定实验流程，完成相关测试表征。

4. 参考文献（12篇以上）

1. [1]yin z , wei j , zheng q . interfacial materials for organic solar cells: recent advances and perspectives[j]. advanced science, 2016, 3(8):1500362.

   [2]xiao k , hui l , xiaoyang d , et al. hydrogen bonds induced high performance ternary fullerene-free organic solar cells with increased current density and enhanced stability[j]. journal of materials chemistry c, 2018,6:9691-9702.

   [3] chen h-y, hou j, zhang s, et al. polymer solar cells with enhanced open-circuit voltage and efficiency[j]. nature photonics, 2009, 3: 649-653.

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