有機雙穩(wěn)態(tài)器件和有機太陽能電池的電學(xué)性質(zhì)研究.pdf

1、有機半導(dǎo)體是近二十年最熱門的科技領(lǐng)域之一,這主要歸因于基于有機半導(dǎo)體的各類器件有著巨大的應(yīng)用前景。有機雙穩(wěn)態(tài)器件和有機太陽能電池也因此成為研究熱點。目前雖然有了很多雙穩(wěn)態(tài)器件的報道,但是對于雙穩(wěn)態(tài)器件中的基本物理機理還不是十分清楚;而對于有機太陽能電池,其器件穩(wěn)定性和制作成本上都還遠遠沒達到實際應(yīng)用的要求。本論文主要是研究小分子電雙穩(wěn)態(tài)器件的基本電學(xué)性質(zhì)和內(nèi)在機理,并在提高有機太陽能電池壽命和降低成本方面做了些研究。具體內(nèi)容如下:

2、>　　 1.制備單層和三層有機雙穩(wěn)態(tài)器件,并測量得到其典型的電學(xué)性質(zhì),首次發(fā)現(xiàn)了這種器件中的一個延遲開啟效應(yīng)。
　　 雖然以前報道的實驗現(xiàn)象有很大的差異,但幾乎所有的有機雙穩(wěn)態(tài)器件都存在一個共同點,那就是有機雙穩(wěn)態(tài)器件從OFF態(tài)向ON態(tài)的轉(zhuǎn)變必須在各自的閾值電壓以上,而對于器件在閾值電壓以下器件能否從OFF態(tài)向ON態(tài)轉(zhuǎn)變,還未見任何實驗報道。因此我們研究了器件在閾值電壓以下器件的特性。
　　 我們發(fā)現(xiàn)我們制備的有機雙穩(wěn)

3、態(tài)器件,器件在低于閾值電壓(Vth)以下的電壓下就能從OFF態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镺N態(tài)。在小于閾值電壓的范圍內(nèi),所加的電壓越小,使器件從OFF態(tài)向ON態(tài)開啟所需要的時間越長,時間的跨度可以從秒量級達到104秒的量級,而且器件的電流隨著時間呈臺階式上升。另外,我們還發(fā)現(xiàn)除了通過加在Vmax＜V＜Vmin區(qū)域的電壓可以得到中間態(tài),通過加在Vth＜V＜Vmax區(qū)域的電壓,也有中間態(tài)的存在。這對于進一步了解器件機理提供了線索
　　 2.制備了單層有

4、機雙穩(wěn)態(tài)器件,并研究了高電壓對于器件的影響。
　　 對于有機雙穩(wěn)態(tài)器件,幾乎所有的測試電壓都是在器件的Vmin電壓以下,然而對于對器件施加大于Vmin電壓后會對器件的雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)造成什么樣的影響目前還沒有文獻報道。因此,我們研究了高電壓對于器件的雙穩(wěn)態(tài)的影響。
　　 我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)掃描終止電壓超過Vmin后,器件的雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象逐漸變差,直到最后器件完全失去雙穩(wěn)態(tài)特性。而給器件再加十毫秒量級或更長時間的Vmin附近的電壓脈沖,器件

5、又能夠恢復(fù)雙穩(wěn)態(tài)。
　　 3.利用并五苯作為有機介質(zhì)制備了有機雙穩(wěn)態(tài)器件,并研究了其特殊的電學(xué)性質(zhì)。
　　 并五苯是一種載流子遷移率相當(dāng)高的有機材料,利用這個材料制備的雙穩(wěn)態(tài)器件可能和用普通有機材料制備的器件之間存在差別。我們利用了并五苯材料制備了單層雙穩(wěn)態(tài)器件,發(fā)現(xiàn)器件在正電壓方向上沒法實現(xiàn)從ON態(tài)向OFF態(tài)的轉(zhuǎn)變,而在負電壓方向上器件表現(xiàn)出和其他材料一致的雙穩(wěn)態(tài)特性。我們猜測可能是由于并五苯和ITO材料接觸界面的特殊

6、性或者是并五苯的導(dǎo)電性能太好引起的。我們通過在并五苯界面上插入LiF,Al,Al2O3等材料改變器件界面性質(zhì),發(fā)現(xiàn)插入以上緩沖層能夠使器件恢復(fù)典型的雙穩(wěn)態(tài)特性。而如果插入NPB材料,器件的雙穩(wěn)態(tài)特性可能是典型的雙穩(wěn)態(tài)特性,也可能是和單層并五苯器件一樣。綜合所有分析,我們認為正向電流太大應(yīng)該是導(dǎo)致并五苯單層器件特殊正方向雙穩(wěn)態(tài)特性的原因。
　　 4.利用C60/Al復(fù)合電極制備了倒結(jié)構(gòu)的太陽能電池,使得有機太陽能電池的壽命得到顯著

7、地提高。
　　 有機太陽能電池存在的一個問題是壽命太短,尤其是在沒有封裝的情況下壽命更短。對于CuPc\C60的異質(zhì)結(jié)有機太陽能電池,影響其壽命的主要原因可能還是來自于氧氣擴散進入C60后造成的性能下降和C60和陰極之間的界面的穩(wěn)定性。但是如果把器件結(jié)構(gòu)反過來,形成C60/CuPc異質(zhì)結(jié),可以使得C60材料受到CuPc層保護,器件壽命更長。在這中結(jié)構(gòu)里,Al不適合做頂電極,因為其功函數(shù)太低,因此我們利用C60/Al作為復(fù)合電極制

8、各了與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相反的結(jié)構(gòu)ITO\acceptor\donor\陽極的有機小分子太陽能電池。器件的能量轉(zhuǎn)換效率為0.78％,在未封裝的條件下,器件的壽命達到950小時。我們也利用C60\Al作為陽極制作了有機電致發(fā)光器件,最大電流效率為2.1cd/m2,功率效率為1.4lm/W,和傳統(tǒng)器件的效率相當(dāng)。因此在有機半導(dǎo)體器件中,C60\Al復(fù)合電極具有高功函數(shù)金屬電極的性質(zhì),可以作為陽極使用。
　　 5.利用一個無真空過程、全溶液方法

9、制備了低成本的聚合物有機太陽能電池對于商業(yè)化,器件的制備成本也是非常重要的一個問題,如何盡量降低器件的生產(chǎn)成本是影響有機太陽能電池市場化的很重要的一個因素。傳統(tǒng)的roll-to-roll的壓膜過程由于其簡單和低成本是一個非常有效的過程。這個過程不需要任何真空熱蒸發(fā)過程,每層膜都是利用溶液方法制成。我們利用一個全溶液方法以及壓膜過程制備了聚合物太陽能電池器件,整個過程沒有用到真空,器件效率約為1.2％?；瘜W(xué)浴沉積方法制各的CdS薄膜被用作