高性能有機(jī)小分子太陽能電池的研究.pdf

1、有機(jī)太陽能電池(organic photovoltaic cells，OPVs)，具有柔性、制備工藝簡單和易于大面積成膜等突出優(yōu)點(diǎn)，是非常有潛力的下一代可再生能源。要實(shí)現(xiàn)OPV器件的商業(yè)化，高效率、高穩(wěn)定性以及低成本是三個(gè)關(guān)鍵因素。目前，OPV器件的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化的前期階段，但其較高的成本以及有待于進(jìn)一步提高的效率和穩(wěn)定性，仍然要求對器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并對器件的光生激子產(chǎn)生、載流子傳輸以及壽命衰減機(jī)理進(jìn)行深入研究。針對上述問題，本論

2、文對有機(jī)小分子太陽能電池中器件效率的提高、穩(wěn)定性的改善以及大面積器件的制備等方面進(jìn)行了一系列的探索性工作，主要內(nèi)容分為以下幾個(gè)方面：
　　1．研究陰極緩沖層對有機(jī)受體層/陰極界面的修飾作用
　　采用光學(xué)傳輸矩陣方法分析陰極緩沖層對器件內(nèi)部光場分布的影響，并分析陰極緩沖層對界面形貌的改善，對比載流子遷移率和缺陷態(tài)深度對器件載流子傳輸?shù)挠绊憽Ｑ芯堪l(fā)現(xiàn)，對于copper phthalocyanin(CuPc)/C60基本結(jié)構(gòu)的器件

3、，金屬陰極中的Ag原子向C60薄膜擴(kuò)散引起的電子反向傳輸是限制器件性能的主要因素。采用電子遷移率較高、禁帶寬度較大且不易結(jié)晶的bathophenanthroline(Bphen)和1,3,5-tris(2-N-phenylbenzimidazolyl) benzene(TPBi)作為緩沖層材料，可以有效的提高載流子的傳輸和收集效率，增大器件有機(jī)功能層的光吸收，阻擋氧氣的擴(kuò)散，使器件效率比常規(guī)緩沖層器件提高18％，同時(shí)穩(wěn)定性提高162%。

4、
　　2．研究熱處理對有機(jī)體異質(zhì)結(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)性能的影響
　　采用熱處理改善給體薄膜光電性能，分析退火溫度對給體薄膜表面形貌、晶體結(jié)構(gòu)、光學(xué)吸收以及載流子傳輸性能的影響。將退火后的給體薄膜應(yīng)用于有機(jī)太陽能電池中，分析給體薄膜改性對器件性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，加熱退火后形成的垂直于基板生長的CuPc納米桿結(jié)構(gòu)可以使器件形成給體-受體相互交叉的體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，改善器件中的載流子傳輸性能，增大異質(zhì)結(jié)界面處給體-受體的接觸面積，提高激子分離

5、效率，增大器件的光生電流。與平面異質(zhì)結(jié)器件相比，采用100℃、加熱退火1 h的CuPc薄膜制備的器件在617 nm處的外量子效率提高100%，功率轉(zhuǎn)化效率提高133%。
　　3．研究基于磷光給體材料的光伏器件中S型電流-電壓曲線產(chǎn)生的機(jī)理及改善方法
　　采用空穴傳輸層修飾陽極/給體界面和在磷光給體薄膜中摻雜提高空穴遷移率的方法，分析器件中S型曲線的產(chǎn)生機(jī)理，最終實(shí)現(xiàn)S型曲線的消除。研究發(fā)現(xiàn)陽極/給體材料界面處的能級差、磷光材

6、料較低的空穴遷移率是引起S型電流-電壓曲線的原因。通過比較不同空穴傳輸層對器件S型曲線的改善和性能的影響，發(fā)現(xiàn)N,N’-bis-(1-naphthyl)-N,N’-diphenyl-1,1’-biphenyl-4,4’-diamine(NPB)和1,1-bis((di-4-tolylamino)phenyl) cyclohexane(TAPC)可以有效降低界面勢壘，消除器件的S型曲線。
　　4．研究提高大面積光伏器件產(chǎn)率和效率的方

7、法
　　將二氧化碳(CO2)清洗基板的方法應(yīng)用于大面積有機(jī)太陽能電池制備中，采用Giebink理論計(jì)算分析面積對器件性能的影響，同時(shí)研究基板表面殘存顆粒對器件性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)氧化銦錫(ITO)基板表面殘存的顆粒是大面積器件易短路的原因，通過CO2清洗可以去掉ITO基板表面較大的顆粒(>20 nm)，使1.44 cm2的boron-subphthalocyanine chloride(SubPc)/C60器件的產(chǎn)率從未經(jīng)CO2清

8、洗時(shí)的0%提高到70%，各器件光伏參數(shù)的差異?4%。串聯(lián)電阻和并聯(lián)導(dǎo)電路徑的增加是大面積器件性能降低的主要原因，引入副電極的結(jié)構(gòu)降低器件的串聯(lián)電阻，使面積為6.25 cm2的SubPc/C60器件的效率達(dá)到小面積(0.008 cm2)器件效率的82%。
　　5．研究有機(jī)功能層的本征衰減及器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對光伏器件穩(wěn)定性的影響
　　采用burn-in老化模型，通過光致老化和熱致老化，計(jì)算分析不同結(jié)構(gòu)的SubPc、fullerene

9、器件初始burn-in老化和長程老化的機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，C60發(fā)生光致聚合反應(yīng)形成C120引起的陷阱態(tài)數(shù)目增多是SubPc/C60平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)器件burn-in老化的主要原因。通過引入混合異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)可以對給體、受體的光致衰減進(jìn)行抑制，通過C60對SubPc激發(fā)態(tài)的淬滅降低光致氧化的速度，抑制SubPc結(jié)晶，穩(wěn)定薄膜形貌。同時(shí)SubPc可以對C60的激發(fā)態(tài)進(jìn)行淬滅，抑制光致聚合反應(yīng)的發(fā)生，降低器件的burn-in衰減，提高器件的壽命。由于