新型石墨烯基電子傳輸材料的制備、表征及光伏應(yīng)用研究.pdf

1、到目前為止，已報(bào)道的用于聚合物太陽(yáng)能電池的電子傳輸材料種類較多，包括各種金屬氧化物、金屬氟化物以及多種有機(jī)化合物（如共軛聚電解質(zhì)、n型小分子、富勒烯衍生物等）。其中，大多數(shù)無(wú)機(jī)電子傳輸材料存在與有機(jī)活性層兼容較差或與低成本的溶液法制膜工藝不兼容等問(wèn)題。而有機(jī)電子傳輸材料則存在制備路徑復(fù)雜、合成成本較高、穩(wěn)定性較差等缺點(diǎn)。這些問(wèn)題的存在制約了多數(shù)材料在低成本聚合物太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。因此設(shè)計(jì)制備可溶液加工且低成本、高效、穩(wěn)定的有機(jī)電

2、子傳輸材料仍是一項(xiàng)很大的挑戰(zhàn)。
　　本論文中，我們?cè)O(shè)計(jì)制備了一種新型石墨烯－苝四羧酸鉀鹽復(fù)合物（rGO-K4PTC），并用掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線光電子能譜（XPS）、傅里葉紅外光譜（FTIR）、紫外－可見(jiàn)吸收光譜（UV-vis）對(duì)其進(jìn)行表征。此外，紫外光電子能譜（UPS）表征表明rGO-K4PTC具有較低的功函數(shù)（3.99 eV），與K4PTC的功函（4.03 eV）相當(dāng)，且明顯低于rGO的功函（4.38 eV），與聚合

3、物太陽(yáng)能器件的常用受體材料PC61BM及PC71BM的LUMO能級(jí)（4.0-4.1 eV）相匹配。因此預(yù)期復(fù)合物rGO-K4PTC與小分子K4PTC作為電子傳輸材料可與有機(jī)活性層形成良好的歐姆接觸，是一種良好的界面層材料。
　　在應(yīng)用研究中，rGO-K4PTC及K4PTC作為電子傳輸材料被用于構(gòu)筑多種聚合物太陽(yáng)能電池，包括基于P3HT:PC61BM、PTB7-th:PC61BM、PTB7-th:PC71BM體系的器件?；趓GO-

4、K4PTC或K4PTC器件的光電轉(zhuǎn)換效率分別被提高至3.03％/6.17%/7.26%和3.05%/6.18%/7.26%，相比于沒(méi)有電子傳輸層的參比器件，最大可提升至35%，與Ca/Al標(biāo)準(zhǔn)器件的效率相當(dāng)。此外，入射單色光子-電子轉(zhuǎn)化效率（IPCE）測(cè)試結(jié)果表明：在波長(zhǎng)400-650 nm區(qū)間，基于rGO-K4PTC或K4PTC的器件的IPCE值明顯高于沒(méi)有電子傳輸層的參比器件。因此，在活性層與陰極 Al之間插入 rGO-K4PTC或

5、K4PTC層可以提高器件的光伏性能，這與電流密度-電壓（J-V）測(cè)試結(jié)果相一致。
　　我們進(jìn)一步用原子力顯微鏡（AFM）表征P3HT:PC61BM/ETLs與P3HT:PC61BM活性層的表面形貌，并用空間電荷限制電流（SCLC）方法測(cè)量材料的電子遷移率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：（1）P3HT:PC61BM/ETLs表面粗糙度相對(duì)較低；（2）基于 K4PTC或rGO-K4PTC器件的電子遷移率明顯高于參比 Al器件的電子遷移率。由此得出結(jié)論

6、：插入基于K4PTC或rGO-K4PTC的電子傳輸層可以有效改善活性層與Al電極的接觸面，從而降低器件的串聯(lián)電阻（Rs），有助于提高器件光電轉(zhuǎn)化效率（PCE）。更重要的是，器件穩(wěn)定性測(cè)試表明：在潮濕空氣中，基于 rGO-K4PTC的器件比標(biāo)準(zhǔn) Ca/Al器件及基于K4PTC的器件更加穩(wěn)定?？赡苁怯捎陔娮觽鬏攲又械膔GO的存在，有效的保護(hù)了有機(jī)光活性層，減緩其在潮濕空氣中的氧化和降解速度。
　　此外，我們又初步探索了水相與有機(jī)相合成