高性能有機(jī)薄膜太陽能電池的制備與研究.pdf

1、有機(jī)薄膜太陽能電池Organic Solar Cells,OSCs，具有材料來源廣泛、成膜性好、功能易于調(diào)制、制備工藝簡(jiǎn)單、可實(shí)現(xiàn)大面積柔性器件等突出優(yōu)點(diǎn)，成為目前最具發(fā)展?jié)摿Φ男乱淮柲馨l(fā)電技術(shù)。近幾年來隨著新材料的不斷開發(fā)，新型器件結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)以及人們對(duì)器件內(nèi)光物理過程的深入研宄，OSCs器件得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，現(xiàn)已處于產(chǎn)業(yè)化的前期階段。然而其較高的生產(chǎn)成本以及有待進(jìn)一步提高的器件效率和穩(wěn)定性，仍然需要繼續(xù)發(fā)展高性能新材料和優(yōu)化器件結(jié)

2、構(gòu)，并對(duì)器件光電轉(zhuǎn)換過程和能量損失機(jī)理進(jìn)行深入的研宄。針對(duì)上述問題，本論文通過優(yōu)化給體層材料性質(zhì)、修飾有機(jī)層丨電極界面以及開發(fā)新型受體材料，研宄了提高器件效率的方法及其作用機(jī)理，為制備高效率器件打下了理論基礎(chǔ)。同時(shí)，分析討論了大面積器件效率降低的原因并提出了提高大面積器件性能的方法，為有機(jī)薄膜太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化做了前期的鋪墊。主要內(nèi)容分為以下五個(gè)方面：
　　1.給體層材料性質(zhì)對(duì)器件填充因子(FF)的影響及作用機(jī)理
　　采用P

3、oole-Frenkel模型和載流子復(fù)活理論分析給體層材料空穴迀移率、最高占有分子軌道(HOMO)能級(jí)和厚度對(duì)器件的FF影響。研究發(fā)現(xiàn)，采用一種具有低HOMO能級(jí)的磷光材料bis[2-4-tertbutylphenyl)benzothi azolato-N,C2,]iridium(acetylacetonate)((t-bt)2Ir(acac))作為給體層，給體層材料較低的空穴迀移率是限制器件FF的主要因素。通過對(duì)機(jī)理進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)給

4、體層厚度大于空穴的傳輸距離時(shí)，器件內(nèi)部載流子的復(fù)合增強(qiáng)，收集效率降低，導(dǎo)致減小，器件效率降低。因此提高給體層材料的空穴迀移率對(duì)改善和器件效率至關(guān)重要。通過在制備(t-bt)2In(acac)薄膜的過程中對(duì)基板進(jìn)行加熱，(t-bt)2Ir(acac)薄膜的空穴迀移率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，使得(t-bt)2Ir(acac)/C60器件的FF提高了26％，能量轉(zhuǎn)換效率提尚35%。
　　2.有機(jī)受體層丨陰極界面修飾對(duì)正型結(jié)構(gòu)器件性能的影響

5、r>　　采用一種新型的電子傳輸材料4-(5-hexylthiophene-2-yl)-2,6-bis(5-trifluoromethyl)thiophen-2-yl)pyridine(TFTTP)作為陰極緩沖層，研究TFTTP對(duì)基于boron-subphthalocyanine chloride(SubPc)/C60異質(zhì)結(jié)的正型結(jié)構(gòu)器件性能的影響及作用機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，TFTTP的最優(yōu)化厚度為10nm，器件效率由無緩沖層時(shí)的0.54%提高

6、到1.25%，比基于常規(guī)bathocuproine(BCP)緩沖層器件的效率高20%。TFTTP緩沖層的主要作用是在C60和Ag之間形成保護(hù)層，減少激子在C60/Ag界面處的淬滅；使C60和Ag之間形成很好的歐姆接觸，提高內(nèi)建電場(chǎng)(Vbi)， 增加電荷轉(zhuǎn)移激子(CTE)分離效率；減小C60和Ag之間的接觸電阻，提高載流子的傳輸和收集效率。
　　3.活性層丨電極界面修飾對(duì)倒置型器件性能的影響
　　采用碳酸銫(Cs2C

7、O3)作為陰極緩沖層，氧化鉬(MoO3)作為陽極緩沖層，制備了基于SubPc/C60異質(zhì)結(jié)的倒置型結(jié)構(gòu)器件，研究Cs2CO3和MoO3的厚度對(duì)器件性能的影響，并討論了器件的穩(wěn)定性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過引入Cs2CO3陰極緩沖層，器件效率提高了173%。，Cs2CO3的主要作用是減小氧化銦錫(indium tin oxide,ITO)陰極和C60界面處的接觸電阻，同時(shí)阻擋空穴傳輸，降低器件漏電流，而對(duì)器件的光吸收效率和激子分離效率沒有影響。在對(duì)

8、器件穩(wěn)定性研宄的過程中發(fā)現(xiàn)，倒置型器件的750為1440min，明顯高于常規(guī)正型結(jié)構(gòu)器件的135min。這是因?yàn)榈怪眯推骷欣谧钃跛脱鯕夥肿酉駽60薄膜的擴(kuò)散，從而改善器件的穩(wěn)定性。
　　4.低成本非富勒烯受體材料器件性能的研究
　　采用新型受體材料perylene bisimides(di-PBI)代替常規(guī)富勒稀衍生物制備體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)器件，研宄了給體材料的選擇、添加劑的使用、器件結(jié)構(gòu)以及界面修飾對(duì)非富勒烯有機(jī)薄膜太陽能

9、電池性能的影響。研宄發(fā)現(xiàn)，采用具有二維(2D)分子結(jié)構(gòu)的PBDTT-F-TT作為給體材料的器件效率明顯高于采用一維分子結(jié)構(gòu)poly[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-bA]dithiophene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]-thiophenediyl](PTB7)作為給體材料的器件效率。采用二元添加

10、劑1,8-diiodooctane(DIO)和1-chloronaphthalene(CN)可以有效改善體異質(zhì)結(jié)的形貌，從而提高器件效率。并且光學(xué)仿真表明倒置型器件結(jié)構(gòu)更有利于活性層中光場(chǎng)的分布和載流子的傳輸。此外，PC61BM自組裝層(PC61BM-SAM)的引入可以有效鈍化ZnO表面的陷阱態(tài)，減少載流子在界面處的復(fù)合，降低漏電流。通過上述研宄，獲得了效率高達(dá)6%。的非富勒烯有機(jī)薄膜太陽能電池器件，其性能指標(biāo)達(dá)到同類器件的國(guó)際領(lǐng)先水平

11、，大幅度地降低了OSCs的生產(chǎn)成本。
　　5.透明電極對(duì)大面積柔性器件性能的影響
　　采用超薄金屬薄膜(Ultra-Thin Metal FilmUTMF)取代ITO作為透明電極應(yīng)用于大面積有機(jī)薄膜太陽能電池器件中，研究透明電極的導(dǎo)電性及面積對(duì)器件性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，大面積器件性能降低的主要原因來自于導(dǎo)電性較差的ITO電極所產(chǎn)生的較大的串聯(lián)電阻。采用ZnO和11-mercaptoundecanioc acid(MUA)分別

12、作為籽晶層和界面修飾層控制Ag薄膜的生長(zhǎng)，制備了結(jié)構(gòu)為Glass/ZnO/MUA/Ag的UTMF透明電極，使得UTMF電極的透過率提高30%，同時(shí)相比于傳統(tǒng)的ITO電極(~15Ω/sq),UTMF的方阻(~15Ω/sq)UTMF降低了200%。因此， 采用導(dǎo)電性高的UTMF作為透明電極并引入四周型輔助電極結(jié)構(gòu)，有效地降低了器件的串聯(lián)電阻，面積為10cm2的poly(indacenodithiophene-co-phananth