有机太阳能电池的理论模拟及旋涂／静电喷雾法制备-信息材料专业论文.docx

南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人学位论文及涉及相关资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。研究生签名： 日期： 南京邮电大学学位论文使用授权声明本人授权南京邮电大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文 档；允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索； 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。本文电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。论文的公布（包括刊登）授权南京邮电大学研究生院办理。涉密学位论文在解密后适用本授权书。研究生签名： 导师签名： 日期： III摘要随着人类对能源的需求和消耗不断增加，研发清洁、绿色且低成本的新能源具有重要意 义。有机太阳能电池（OSC）生产成本低、可制备成柔性和便携式器件，并具有卷对卷生产 的潜力，是新能源领域最富发展前景的研究方向之一。为进一步提高 OSC 器件效率，并促进 有机太阳能电池的实用化进程，当前对 OSC 器件的研究主要集中在四个方面：开发具有宽光 谱、高载流子迁移率的活性材料；通过理论模拟优化器件结构；采用电极修饰材料提高电荷 传输和收集效率；研究能够制备柔性基底／大面积器件的生产制备方法。本文主要对 OSC 器 件的理论模拟、电极修饰，以及静电喷雾法制备进行了研究。对 OSC 器件的光电转换过程建立理论模型进行仿真模拟，将理论仿真结果与器件实验结 果相结合，将有助于理解器件工作机理，优化器件结构设计，指导器件实验的方向。理论模 拟方面，本文通过理论模型和数值模拟对器件进行分析与设计。首先根据光学模型和电学模 型，设计出能够对 OSC 器件中电磁场分布和器件效率进行仿真计算的软件系统。通过理论模 拟对平面异质结有机太阳能电池的结构进行优化设计，从理论上得到了给体、受体和阴极缓 冲层的优化厚度，以及器件中光强分布随各层薄膜厚度的变化规律。通过与器件实验结果相 比较，分析了基于 CuPc/C60 的双层异质结 OSC 器件性能与结构之间的关系。所用的分析方法 具有创新性，该方法及所设计的软件系统可应用于具有不同材料、不同结构活性层的 OSC 器 件结构设计和性能仿真，对于 OSC 器件工作机理的理解和实验结果预测都具有重要意义。采用旋涂法制备器件活性层，并首次采用 Zn4O(AID)6 材料作为基于 P3HT：PCBM 的本 体异质结器件的阴极修饰层，实验证明该材料可有效提高器件效率达 70％。将实验结果与光 学模拟结果相结合，分析了该阴极修饰层能够提高器件效率的原因。结果表明 Zn4O(AID)6 可 用来对 OSC 器件的阴极进行修饰，同时，理论模拟可作为探究 OSC 器件工作机理的有效工 具。同旋涂法相比，静电喷雾（ES）法具有工艺过程可控、可实现自组装纳米结构、成本低、 材料浪费少等优点，且易于制备大面积和柔性基底的器件，对未来 OPV 的实用化和产业化具 有重大意义。利用静电喷雾法制备有机太阳能电池活性层，并对所用的溶剂体系进行了优化。 首次以醋酸作为添加剂，用静电喷雾法制备有机太阳能电池器件中 P3HT:PCBM 活性层。通 过对活性层形貌和器件性能进行表征分析，结果表明以醋酸做为添加剂制备的器件优于其他 添加剂，并得到了最佳配比的溶剂体系，制备出器件的效率（2.99±0.08%）与旋涂法制备的 器件效率（3.12±0.09%）接近，显著高于在空气中旋涂制备活性层的器件效率（2.44±0.12%）。 对 ES 法制备的器件和旋涂法制备的器件进行了稳定性比较，结果表明 ES 制备的器件在空气IV中更加稳定。系统研究了静电喷雾法的工艺过程对活性层形貌和器件性能的影响。首先推导出了静电 喷雾的雾滴蒸发过程的 Damkh?ler 参数显式表达式。然后，通过调节 ES 过程的流量和基板 温度，改变与溶剂挥发速度有关的 Damkh?ler 参数，控制活性层形貌。得到了为形成有利于 光伏效应的活性层，Damkh?ler 参数应满足的条件，以及相应的 ES 工艺参数。并对 ES 法制 备的活性层厚度进行了优化研究。在溶剂系统和工艺参数优化的条件下，在空气中用 ES 法 制备出的器件效率（3.09±0.11%）与旋涂法在氮气环境制备的器件效率接近。研究结果表明 ES 法可以取代旋涂法来制备 OSC 器件，并且可以通过对 ES 工艺过程参数的调节来有效控制 活性层形貌。最后，利用静电喷雾法制备出具有复杂结构活