體異質(zhì)結(jié)能級(jí)調(diào)控及其在有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化太陽(yáng)電池中的應(yīng)用研究.pdf

1、太陽(yáng)能是一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，太陽(yáng)電池的開(kāi)發(fā)及利用一直受到國(guó)內(nèi)外的青睞。太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)和利用主要有兩種形式：一種是光-熱轉(zhuǎn)換，例如太陽(yáng)能熱水器等，另一種是光-電轉(zhuǎn)換，例如太陽(yáng)電池，而光電-轉(zhuǎn)換是太陽(yáng)能的主要利用形式。太陽(yáng)電池發(fā)展歷程悠久，歷經(jīng)數(shù)次更迭換代，種類(lèi)繁多。近幾年，有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。這種電池將有機(jī)和無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料的優(yōu)勢(shì)完美結(jié)合：一方面，其p-型材料采用有機(jī)半導(dǎo)體材料因此具有種類(lèi)繁多、可

2、設(shè)計(jì)性強(qiáng)、重量輕、柔韌性好、可大面積卷裝生產(chǎn)、低溫溶液法制備、低成本等優(yōu)點(diǎn)；另一方面，其n-型材料多采用無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料，因此同時(shí)具有高電子遷移率、高比表面積、高物理化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。
　　以光電性能優(yōu)異的三苯胺衍生物小分子作太陽(yáng)電池p-型材料，小分子呈現(xiàn)D-π-A結(jié)構(gòu)：包括強(qiáng)供電子基團(tuán)的三苯胺；起橋聯(lián)作用的噻吩；強(qiáng)吸電子基團(tuán)的氰乙酸酯（AlkylCyanoacetate）、丙二腈（Dicyanovinyl）和繞丹寧（Rhodani

3、ne）。分別設(shè)計(jì)并合成三種新型的D-π-A型結(jié)構(gòu)的有機(jī)小分子給體C-TPA、D-TPA、R-TPA。此類(lèi)小分子的能級(jí)結(jié)構(gòu)、光吸收能力可以通過(guò)改變末端受體單元的種類(lèi)來(lái)進(jìn)行調(diào)控，達(dá)到體異質(zhì)結(jié)能級(jí)調(diào)控的目的。通過(guò)紫外可見(jiàn)吸收光譜技術(shù)、熒光光譜技術(shù)、循環(huán)伏安（CV）和熱穩(wěn)定性研究這些小分子的性能，結(jié)果表明這類(lèi)小分子的吸收光譜比較寬、氧化還原電勢(shì)比較低并且具有較好的熱穩(wěn)定性，可以作為一種理想的光電材料。將其組裝成太陽(yáng)電池器件，結(jié)果表明光電性能最優(yōu)

4、異的是D-TPA，光電轉(zhuǎn)換效率為0.802％；其次是R-TPA，光電轉(zhuǎn)換效率為0.733%；C-TPA相比于前兩者稍差，光電轉(zhuǎn)換效率為0.651%。
　　此外，無(wú)機(jī)受體材料種類(lèi)有很多，銳鈦礦型二氧化鈦（TiO2）以其來(lái)源豐富、制備簡(jiǎn)單便宜、無(wú)毒環(huán)保、具有高電子、空穴遷移率、高介電常數(shù)、長(zhǎng)激發(fā)態(tài)壽命、高能態(tài)密度等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其成為性能優(yōu)良的電子受體材料，適用于有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化太陽(yáng)電池。稀土摻雜TiO2可以有效的調(diào)控其能級(jí)使其與p-型材

5、料能級(jí)更好的匹配，SmPO4摻雜P3HT/TiO2體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率由未摻雜的1.98%提高至3%。這種顯著的提升主要由于摻雜體異質(zhì)結(jié)之間熱電子快速的產(chǎn)生和分離傳輸，時(shí)間分辨光譜測(cè)試結(jié)果表明：電子的產(chǎn)生速率提升超過(guò)40%，由未摻雜的30.2 ps縮短至17.9 ps，熱電子傳輸速率提升近20%，由未摻雜的6.92 ns縮短至5.58 ns。
　　P3HT/TiO2體異質(zhì)結(jié)之間通常會(huì)引入金屬氧化物作為緩沖層形成三元體異質(zhì)結(jié)

6、結(jié)構(gòu)，但是該結(jié)構(gòu)仍然會(huì)面臨著能級(jí)不匹配的挑戰(zhàn)，而用藍(lán)光石墨烯量子點(diǎn)（GQDs）替代金屬氧化物有效的解決這一問(wèn)題。通過(guò)自上而下的方法，采用激光脈沖輻射加水熱制備出能級(jí)位置處于P3HT和TiO2之間GODs，P3HT/TiO2和GQDs之間形成階梯能級(jí)結(jié)構(gòu)。在加入GQDs緩沖層后，開(kāi)路電壓（Voc）從之前0.698 V提升到0.757 V，同時(shí)短路電流密度（Jsc）從之前5.89 mA·cm?2提升到7.98 mA·cm?2，總光電轉(zhuǎn)換效率