高性能有機薄膜太陽能電池的制備與研究.pdf

1、有機薄膜太陽能電池Organic Solar Cells,OSCs，具有材料來源廣泛、成膜性好、功能易于調(diào)制、制備工藝簡單、可實現(xiàn)大面積柔性器件等突出優(yōu)點，成為目前最具發(fā)展?jié)摿Φ男乱淮柲馨l(fā)電技術。近幾年來隨著新材料的不斷開發(fā)，新型器件結構的出現(xiàn)以及人們對器件內(nèi)光物理過程的深入研宄，OSCs器件得到了長足的發(fā)展，現(xiàn)已處于產(chǎn)業(yè)化的前期階段。然而其較高的生產(chǎn)成本以及有待進一步提高的器件效率和穩(wěn)定性，仍然需要繼續(xù)發(fā)展高性能新材料和優(yōu)化器件結

2、構，并對器件光電轉換過程和能量損失機理進行深入的研宄。針對上述問題，本論文通過優(yōu)化給體層材料性質、修飾有機層丨電極界面以及開發(fā)新型受體材料，研宄了提高器件效率的方法及其作用機理，為制備高效率器件打下了理論基礎。同時，分析討論了大面積器件效率降低的原因并提出了提高大面積器件性能的方法，為有機薄膜太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化做了前期的鋪墊。主要內(nèi)容分為以下五個方面：
　　1.給體層材料性質對器件填充因子(FF)的影響及作用機理
　　采用P

3、oole-Frenkel模型和載流子復活理論分析給體層材料空穴迀移率、最高占有分子軌道(HOMO)能級和厚度對器件的FF影響。研究發(fā)現(xiàn)，采用一種具有低HOMO能級的磷光材料bis[2-4-tertbutylphenyl)benzothi azolato-N,C2,]iridium(acetylacetonate)((t-bt)2Ir(acac))作為給體層，給體層材料較低的空穴迀移率是限制器件FF的主要因素。通過對機理進行分析發(fā)現(xiàn)，當給

4、體層厚度大于空穴的傳輸距離時，器件內(nèi)部載流子的復合增強，收集效率降低，導致減小，器件效率降低。因此提高給體層材料的空穴迀移率對改善和器件效率至關重要。通過在制備(t-bt)2In(acac)薄膜的過程中對基板進行加熱，(t-bt)2Ir(acac)薄膜的空穴迀移率提高了一個數(shù)量級，使得(t-bt)2Ir(acac)/C60器件的FF提高了26％，能量轉換效率提尚35%。
　　2.有機受體層丨陰極界面修飾對正型結構器件性能的影響

5、r>　　采用一種新型的電子傳輸材料4-(5-hexylthiophene-2-yl)-2,6-bis(5-trifluoromethyl)thiophen-2-yl)pyridine(TFTTP)作為陰極緩沖層，研究TFTTP對基于boron-subphthalocyanine chloride(SubPc)/C60異質結的正型結構器件性能的影響及作用機理。研究發(fā)現(xiàn)，TFTTP的最優(yōu)化厚度為10nm，器件效率由無緩沖層時的0.54%提高

6、到1.25%，比基于常規(guī)bathocuproine(BCP)緩沖層器件的效率高20%。TFTTP緩沖層的主要作用是在C60和Ag之間形成保護層，減少激子在C60/Ag界面處的淬滅；使C60和Ag之間形成很好的歐姆接觸，提高內(nèi)建電場(Vbi)， 增加電荷轉移激子(CTE)分離效率；減小C60和Ag之間的接觸電阻，提高載流子的傳輸和收集效率。
　　3.活性層丨電極界面修飾對倒置型器件性能的影響
　　采用碳酸銫(Cs2C

7、O3)作為陰極緩沖層，氧化鉬(MoO3)作為陽極緩沖層，制備了基于SubPc/C60異質結的倒置型結構器件，研究Cs2CO3和MoO3的厚度對器件性能的影響，并討論了器件的穩(wěn)定性。結果發(fā)現(xiàn)，通過引入Cs2CO3陰極緩沖層，器件效率提高了173%。，Cs2CO3的主要作用是減小氧化銦錫(indium tin oxide,ITO)陰極和C60界面處的接觸電阻，同時阻擋空穴傳輸，降低器件漏電流，而對器件的光吸收效率和激子分離效率沒有影響。在對

8、器件穩(wěn)定性研宄的過程中發(fā)現(xiàn)，倒置型器件的750為1440min，明顯高于常規(guī)正型結構器件的135min。這是因為倒置型器件有利于阻擋水和氧氣分子向C60薄膜的擴散，從而改善器件的穩(wěn)定性。
　　4.低成本非富勒烯受體材料器件性能的研究
　　采用新型受體材料perylene bisimides(di-PBI)代替常規(guī)富勒稀衍生物制備體異質結結構器件，研宄了給體材料的選擇、添加劑的使用、器件結構以及界面修飾對非富勒烯有機薄膜太陽能

9、電池性能的影響。研宄發(fā)現(xiàn)，采用具有二維(2D)分子結構的PBDTT-F-TT作為給體材料的器件效率明顯高于采用一維分子結構poly[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-bA]dithiophene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]-thiophenediyl](PTB7)作為給體材料的器件效率。采用二元添加

10、劑1,8-diiodooctane(DIO)和1-chloronaphthalene(CN)可以有效改善體異質結的形貌，從而提高器件效率。并且光學仿真表明倒置型器件結構更有利于活性層中光場的分布和載流子的傳輸。此外，PC61BM自組裝層(PC61BM-SAM)的引入可以有效鈍化ZnO表面的陷阱態(tài)，減少載流子在界面處的復合，降低漏電流。通過上述研宄，獲得了效率高達6%。的非富勒烯有機薄膜太陽能電池器件，其性能指標達到同類器件的國際領先水平

11、，大幅度地降低了OSCs的生產(chǎn)成本。
　　5.透明電極對大面積柔性器件性能的影響
　　采用超薄金屬薄膜(Ultra-Thin Metal FilmUTMF)取代ITO作為透明電極應用于大面積有機薄膜太陽能電池器件中，研究透明電極的導電性及面積對器件性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，大面積器件性能降低的主要原因來自于導電性較差的ITO電極所產(chǎn)生的較大的串聯(lián)電阻。采用ZnO和11-mercaptoundecanioc acid(MUA)分別

12、作為籽晶層和界面修飾層控制Ag薄膜的生長，制備了結構為Glass/ZnO/MUA/Ag的UTMF透明電極，使得UTMF電極的透過率提高30%，同時相比于傳統(tǒng)的ITO電極(~15Ω/sq),UTMF的方阻(~15Ω/sq)UTMF降低了200%。因此， 采用導電性高的UTMF作為透明電極并引入四周型輔助電極結構，有效地降低了器件的串聯(lián)電阻，面積為10cm2的poly(indacenodithiophene-co-phananth