活性層形貌的優(yōu)化及空穴傳輸層的改善對PTB7-Th-PC71BM太陽能電池性能的影響.pdf

1、活性層形貌以及界面修飾層是影響有機太陽能電池光電轉(zhuǎn)換性能的主要方面。本論文利用新型窄帶隙材料poly[4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzo[1,2-b:4,5-b'] dithiophene-co-3-fluorothieno[3,4-b]thiophene-2-carboxylate](PTB7-Th)作為給體、[6，6]-phenyl-C71-butyric acid methyl

2、ester(PC71BM)作為受體制備了一系列太陽能電池器件，通過優(yōu)化活性層形貌和陽極界面修飾層聚（3，4-亞乙二氧基噻吩）-聚（苯乙烯磺酸）(PEDOT:PSS)的光電特性來優(yōu)化器件性能，同時研究了活性層形貌和陽極界面修飾層PEDOT:PSS光電特性對器件性能影響的機理問題。
　　我們首先研究了添加劑1，8-二碘辛烷(DIO)摻雜對PTB7-Th:PC71BM活性層形貌以及電荷產(chǎn)生和電荷傳輸?shù)挠绊?。從原子力顯微鏡(AFM)圖可以

3、看出DIO摻雜有利于改善活性層薄膜的結(jié)晶性，減小給受體材料的相分離尺寸，增大激子解離幾率。我們引入飛行時間二次離子質(zhì)譜法來研究DIO摻雜后，給受體材料在垂直方向上的分布。實驗結(jié)果表明，DIO摻雜會使得給體材料PTB7-Th向低功函數(shù)的陰極擴散，這不利于電荷傳輸。綜上所述，添加劑DIO摻雜會導(dǎo)致兩種結(jié)果:第一有利于形成較小尺寸的相分離，提高激子解離幾率，有利于電池性能提高;第二促使在成膜過程中給體材料PTB7-Th向低功函數(shù)的陰極擴散，損

4、害電荷傳輸。
　　為了改善DIO摻雜對活性層相分離和電荷傳輸?shù)南嚆５淖饔?，我們利用甲醇溶劑沖洗摻有DIO的活性層表面，來改善給受體材料在垂直方向上的分布。我們通過飛行時間二次離子質(zhì)譜法證明了甲醇沖洗摻有DIO的活性層表面后梯度三維結(jié)構(gòu)的形成。并且通過以下三種方式對梯度三維體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的形貌進行了改善:(1)通過調(diào)節(jié)甲醇沖洗轉(zhuǎn)速來優(yōu)化梯度三維體異質(zhì)結(jié)形貌，只有旋涂在活性層表面的甲醇的量和活性層的厚度相匹配時，甲醇對活性層中溶解著PC

5、71BM的DIO的提拉作用才能達到最優(yōu);(2)通過調(diào)節(jié)活性層旋涂和甲醇沖洗的時間間隔來優(yōu)化梯度三維體異質(zhì)結(jié)形貌，只有這樣才可以既保證活性層薄膜的自組裝，又保證甲醇對溶解著PC71BM的DIO的提拉作用;(3)通過調(diào)節(jié)添加劑DIO的體積分數(shù)來調(diào)節(jié)梯度三維體異質(zhì)結(jié)形貌，進而起到調(diào)節(jié)活性層相分離的目的。最后，我們研究了梯度三維結(jié)構(gòu)相對于常規(guī)體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)在電荷產(chǎn)生和電荷傳輸上的優(yōu)越性。研究表明，梯度三維結(jié)構(gòu)不僅可以提高器件的內(nèi)量子效率還可以改善

6、電荷傳輸特性，進一步說明了梯度三維結(jié)構(gòu)在保證合適相分離的同時，還可以在垂直方向上建立連續(xù)的電荷傳輸通道。
　　為了獲得一個較好的器件性能，理想的空穴提取層需要具有合適的能級以降低電荷收集勢壘，足夠的導(dǎo)電率以降低電阻損失，同時還需具有較高的透過率以降低光損失，我們引入二甲基亞砜(DMSO)溶劑沖洗處理空穴提取層PEDOT:PSS的方法來改善PEDOT:PSS的導(dǎo)電率和透過率。實驗結(jié)果表明:(1) DMSO沖洗處理PEDOT:PSS后

7、，PEDOT:PSS的導(dǎo)電率從9.64×10-4提高到4.64×10-2s/cm;(2)DMSO沖洗處理PEDOT:PSS后，引起了PEDOT:PSS的自組裝，改變了其結(jié)晶特性和膜厚，明顯的提高了PEDOT:PSS薄膜的透過率，減小了光損失。將DMSO沖洗處理后的PEDOT:PSS應(yīng)用于PTB7-Th:PC71BM電池器件，器件的短路電流從14.31 mA/cm2增加到21.86 mA/cm2，光電轉(zhuǎn)換效率從7.35％提高到9.48％。

8、
　　此外，我們發(fā)現(xiàn)DMSO溶劑沖洗處理會降低PEDOT:PSS的功函數(shù)，進而增大電荷收集勢壘，因此我們引入5wt％ tetrafluoroethylene-perfluoro-3，6-dioxa-4-methyl-7-octenesulfonic acid copolymer(a perfluorinated ionomer(PFI)摻雜的方法來改善PEDOT:PSS的功函數(shù)。我們設(shè)計了兩步法處理PEDOT:PSS:第一步，將P