優(yōu)化有源層形貌提高有機太陽能電池性能的研究.pdf

1、近年來，有機太陽能電池得到快速發(fā)展。但是與傳統(tǒng)無機太陽能電池相比，有機太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性仍然較低，還達不到產(chǎn)業(yè)化的要求。不僅有機太陽能電池的性能有待提高，其復(fù)雜的工作機理也需要進一步研究。本論文以制備高效率高穩(wěn)定性的有機太陽能電池為核心目標，以優(yōu)化有源層形貌為研究重點，以采用不同分子結(jié)構(gòu)的受體、優(yōu)化有源層自組裝過程和開發(fā)有效的后處理工藝為切入點，以薄膜形貌表征技術(shù)、光學與光譜學表征技術(shù)、電學表征技術(shù)、表面成分表征技術(shù)為支撐

2、點，以探索優(yōu)化有源層形貌提高器件性能的關(guān)鍵科學問題為落腳點。主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)通過研究不同分子結(jié)構(gòu)的受體對給受體分子排布方式的影響，探索給受體分子排布方式對有機太陽能電池性能的影響機理。以SMPV1∶PC71BM和SMPV1∶ICBA為有源層的有機太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率分別為7.05％和2.54％。以ICBA為受體的器件短路電流遠低于以PC71BM為受體的器件短路電流，主要原因有以下兩點:(i)ICBA在可見光范圍內(nèi)

3、吸光能力低于PC71BM;(ii)SMPV1和ICBA分子間垂直交叉的分子排布方式會限制激子的解離、電荷的傳輸和收集。通過給體和受體的分子結(jié)構(gòu)調(diào)控給受體分子排布方式，為提高有機太陽能電池的性能提供了一種新途徑。
　　(2)利用醇溶液調(diào)控有源層自組裝時間，探索有源層在自組裝過程中給受體分子排布的變化趨勢。在有源層上表面旋涂PFN甲醇溶液的方法既可以快速地終止有源層自組裝過程，又可以制備PFN界面修飾層。有源層(PffBT4T-2OD

4、∶PC71BM)的自組裝時間以20分鐘為間隔從20分鐘被調(diào)整到120分鐘。經(jīng)過80分鐘的有源層自組裝和PFN界面修飾層的添加，有機太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率從6.74％提高到8.66％。研究表明有源層在自組裝過程中有兩個變化趨勢:(i)給體分子排布方式逐漸從edge-on向face-on轉(zhuǎn)變，有利于空穴的傳輸;(ii)給受體相分離尺度逐漸地增加，過長時間的有源層自組裝會導(dǎo)致過大的給受體相分離尺度，不利于激子的解離。有源層自組裝時間對給體分

5、子排布方式和給受體相分離的優(yōu)化起到關(guān)鍵的作用，調(diào)控有源層的自組裝時間是非常有必要的。在有源層上表面旋涂醇溶液是調(diào)控有源層自組裝時間的有效策略。
　　(3)采用倒置的有源層干燥方法調(diào)控有源層自組裝過程，優(yōu)化給體分子排布的有序性以及給受體垂直結(jié)構(gòu)相分離程度。采用倒置的有源層干燥方法明顯地提高了基于四種不同有源層(PTB7-Th∶PC71BM、PTB7∶PC71BM、PffBT4T-2OD∶PC71BM和PBDT-TS1∶PC71BM)

6、的有機太陽能電池的效率和穩(wěn)定性。采用倒置的有源層干燥方法提高有機太陽能電池性能的原因可歸納為以下三點:(i)提高了給體分子π-π堆積的有序性及緊密性，有利于空穴傳輸;(ii)優(yōu)化了給受體垂直結(jié)構(gòu)相分離，有利于電荷的傳輸和收集;(iii)使PC71BM更穩(wěn)固地分布在更有序及更緊密的給體網(wǎng)絡(luò)中，提高了器件的穩(wěn)定性。通過穩(wěn)定性測試研究表明封口膜封裝方法可以有效地阻擋水和氧向器件內(nèi)部擴散，提高有機太陽能電池的穩(wěn)定性。
　　(4)利用甲醇和

7、溶劑添加劑的互溶特性，采用甲醇或PFN甲醇溶液浸潤有源層優(yōu)化給受體垂直結(jié)構(gòu)相分離。在溶劑添加劑DIO和甲醇的揮發(fā)過程中，PC71BM分子會向有源層的上表面遷移，通過調(diào)控甲醇浸潤時間可以精細地調(diào)控給受體垂直結(jié)構(gòu)相分離程度。采用PFN甲醇溶液浸潤有源層的方法，不僅可以形成PFN界面偶極增加穿過有源層的內(nèi)建電場，還可以利用甲醇優(yōu)化給受體垂直結(jié)構(gòu)相分離。采用先甲醇浸潤有源層后旋涂PFN甲醇溶液的兩步法策略，既可以優(yōu)化有源層中給受體垂直結(jié)構(gòu)相分離