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

1、有機(jī)半導(dǎo)體是近二十年最熱門(mén)的科技領(lǐng)域之一,這主要?dú)w因于基于有機(jī)半導(dǎo)體的各類器件有著巨大的應(yīng)用前景。有機(jī)雙穩(wěn)態(tài)器件和有機(jī)太陽(yáng)能電池也因此成為研究熱點(diǎn)。目前雖然有了很多雙穩(wěn)態(tài)器件的報(bào)道,但是對(duì)于雙穩(wěn)態(tài)器件中的基本物理機(jī)理還不是十分清楚;而對(duì)于有機(jī)太陽(yáng)能電池,其器件穩(wěn)定性和制作成本上都還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)達(dá)到實(shí)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(jī)理,并在提高有機(jī)太陽(yáng)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(jī)雙穩(wěn)態(tài)器件,并測(cè)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(gè)延遲開(kāi)啟效應(yīng)。
　　 雖然以前報(bào)道的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有很大的差異,但幾乎所有的有機(jī)雙穩(wěn)態(tài)器件都存在一個(gè)共同點(diǎn),那就是有機(jī)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(duì)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(jiàn)任何實(shí)驗(yàn)報(bào)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(jī)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(kāi)啟所需要的時(shí)間越長(zhǎng),時(shí)間的跨度可以從秒量級(jí)達(dá)到104秒的量級(jí),而且器件的電流隨著時(shí)間呈臺(tái)階式上升。另外,我們還發(fā)現(xiàn)除了通過(guò)加在Vmax＜V＜Vmin區(qū)域的電壓可以得到中間態(tài),通過(guò)加在Vth＜V＜Vmax區(qū)域的電壓,也有中間態(tài)的存在。這對(duì)于進(jìn)一步了解器件機(jī)理提供了線索
　　 2.制備了單層有

4、機(jī)雙穩(wěn)態(tài)器件,并研究了高電壓對(duì)于器件的影響。
　　 對(duì)于有機(jī)雙穩(wěn)態(tài)器件,幾乎所有的測(cè)試電壓都是在器件的Vmin電壓以下,然而對(duì)于對(duì)器件施加大于Vmin電壓后會(huì)對(duì)器件的雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)造成什么樣的影響目前還沒(méi)有文獻(xiàn)報(bào)道。因此,我們研究了高電壓對(duì)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(guò)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(jí)或更長(zhǎng)時(shí)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(jī)介質(zhì)制備了有機(jī)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(jī)材料,利用這個(gè)材料制備的雙穩(wěn)態(tài)器件可能和用普通有機(jī)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(méi)法實(shí)現(xiàn)從ON態(tài)向OFF態(tài)的轉(zhuǎn)變,而在負(fù)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(cè)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(guò)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(rèn)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(yáng)能電池,使得有機(jī)太陽(yáng)能電池的壽命得到顯著

7、地提高。
　　 有機(jī)太陽(yáng)能電池存在的一個(gè)問(wèn)題是壽命太短,尤其是在沒(méi)有封裝的情況下壽命更短。對(duì)于CuPc\C60的異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池,影響其壽命的主要原因可能還是來(lái)自于氧氣擴(kuò)散進(jìn)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(guò)來(lái),形成C60/CuPc異質(zhì)結(jié),可以使得C60材料受到CuPc層保護(hù),器件壽命更長(zhǎng)。在這中結(jié)構(gòu)里,Al不適合做頂電極,因?yàn)槠涔瘮?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(yáng)極的有機(jī)小分子太陽(yáng)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(dá)到950小時(shí)。我們也利用C60\Al作為陽(yáng)極制作了有機(jī)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(jī)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(yáng)極使用。
　　 5.利用一個(gè)無(wú)真空過(guò)程、全溶液方法

9、制備了低成本的聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池對(duì)于商業(yè)化,器件的制備成本也是非常重要的一個(gè)問(wèn)題,如何盡量降低器件的生產(chǎn)成本是影響有機(jī)太陽(yáng)能電池市場(chǎng)化的很重要的一個(gè)因素。傳統(tǒng)的roll-to-roll的壓膜過(guò)程由于其簡(jiǎn)單和低成本是一個(gè)非常有效的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程不需要任何真空熱蒸發(fā)過(guò)程,每層膜都是利用溶液方法制成。我們利用一個(gè)全溶液方法以及壓膜過(guò)程制備了聚合物太陽(yáng)能電池器件,整個(gè)過(guò)程沒(méi)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