新型石墨烯基電子傳輸材料的制備、表征及光伏應用研究.pdf

1、到目前為止，已報道的用于聚合物太陽能電池的電子傳輸材料種類較多，包括各種金屬氧化物、金屬氟化物以及多種有機化合物（如共軛聚電解質(zhì)、n型小分子、富勒烯衍生物等）。其中，大多數(shù)無機電子傳輸材料存在與有機活性層兼容較差或與低成本的溶液法制膜工藝不兼容等問題。而有機電子傳輸材料則存在制備路徑復雜、合成成本較高、穩(wěn)定性較差等缺點。這些問題的存在制約了多數(shù)材料在低成本聚合物太陽能電池領域的實際應用。因此設計制備可溶液加工且低成本、高效、穩(wěn)定的有機電

2、子傳輸材料仍是一項很大的挑戰(zhàn)。
　　本論文中，我們設計制備了一種新型石墨烯－苝四羧酸鉀鹽復合物（rGO-K4PTC），并用掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線光電子能譜（XPS）、傅里葉紅外光譜（FTIR）、紫外－可見吸收光譜（UV-vis）對其進行表征。此外，紫外光電子能譜（UPS）表征表明rGO-K4PTC具有較低的功函數(shù)（3.99 eV），與K4PTC的功函（4.03 eV）相當，且明顯低于rGO的功函（4.38 eV），與聚合

3、物太陽能器件的常用受體材料PC61BM及PC71BM的LUMO能級（4.0-4.1 eV）相匹配。因此預期復合物rGO-K4PTC與小分子K4PTC作為電子傳輸材料可與有機活性層形成良好的歐姆接觸，是一種良好的界面層材料。
　　在應用研究中，rGO-K4PTC及K4PTC作為電子傳輸材料被用于構(gòu)筑多種聚合物太陽能電池，包括基于P3HT:PC61BM、PTB7-th:PC61BM、PTB7-th:PC71BM體系的器件?；趓GO-

4、K4PTC或K4PTC器件的光電轉(zhuǎn)換效率分別被提高至3.03％/6.17%/7.26%和3.05%/6.18%/7.26%，相比于沒有電子傳輸層的參比器件，最大可提升至35%，與Ca/Al標準器件的效率相當。此外，入射單色光子-電子轉(zhuǎn)化效率（IPCE）測試結(jié)果表明：在波長400-650 nm區(qū)間，基于rGO-K4PTC或K4PTC的器件的IPCE值明顯高于沒有電子傳輸層的參比器件。因此，在活性層與陰極 Al之間插入 rGO-K4PTC或

5、K4PTC層可以提高器件的光伏性能，這與電流密度-電壓（J-V）測試結(jié)果相一致。
　　我們進一步用原子力顯微鏡（AFM）表征P3HT:PC61BM/ETLs與P3HT:PC61BM活性層的表面形貌，并用空間電荷限制電流（SCLC）方法測量材料的電子遷移率。實驗結(jié)果表明：（1）P3HT:PC61BM/ETLs表面粗糙度相對較低；（2）基于 K4PTC或rGO-K4PTC器件的電子遷移率明顯高于參比 Al器件的電子遷移率。由此得出結(jié)論

6、：插入基于K4PTC或rGO-K4PTC的電子傳輸層可以有效改善活性層與Al電極的接觸面，從而降低器件的串聯(lián)電阻（Rs），有助于提高器件光電轉(zhuǎn)化效率（PCE）。更重要的是，器件穩(wěn)定性測試表明：在潮濕空氣中，基于 rGO-K4PTC的器件比標準 Ca/Al器件及基于K4PTC的器件更加穩(wěn)定?？赡苁怯捎陔娮觽鬏攲又械膔GO的存在，有效的保護了有機光活性層，減緩其在潮濕空氣中的氧化和降解速度。
　　此外，我們又初步探索了水相與有機相合成