可溶性小分子方酸菁有機(jī)太陽能電池的制備及其性能研究.pdf

1、提高有機(jī)太陽能電池功率轉(zhuǎn)換效率有三個主要途徑:研發(fā)新的有機(jī)材料，改進(jìn)器件制備工藝和設(shè)計新的器件結(jié)構(gòu)。本論文首先研究了現(xiàn)有的方酸材料SQ，之后設(shè)計合成了一系列可溶性方酸菁類有機(jī)小分子材料并制備器件，通過對器件的優(yōu)化，提高了器件性能。
　　首先研究了不同活性層厚度對基于SQ∶PCT1BM的有機(jī)太陽能電池性能的影響，活性層厚度為78nm時能獲得2.84％的最高器件效率，對應(yīng)器件的最高短路電流密度為8.76mA/cm2，這是光吸收和載流子

2、傳輸相平衡的結(jié)果。其次對比了旋涂PEDOT∶PSS溶液和蒸鍍氧化鉬作為陽極修飾層對基于SQ∶PC71BM的電池性能的影響，研究表明PEDOT∶PSS的酸性對SQ產(chǎn)生了破壞，反而使器件性能降低，而蒸鍍的氧化鉬陽極修飾層能增加器件的開路電壓和填充因子，使器件性能得到明顯提高。之后研究了不同時間紫外臭氧處理MoO3薄膜對器件性能的影響。當(dāng)紫外臭氧處理MoO3的時間為10分鐘時，器件能獲得3.99％的最高效率。研究了熱退火對器件性能影響的機(jī)理。

3、70℃退火10分鐘時，器件的JSC和FF增加到最大值。通過用空間電荷限制電流計算空穴遷移率，發(fā)現(xiàn)熱退火后空穴遷移率從2.26×10-6cm2/Vs增加到了3.34×10-6cm2/Vs，這證明電荷傳輸性能得到了很大改善。另一方面，AFM顯示薄膜的粗糙度增強(qiáng)，這表明給受體通過退火實(shí)現(xiàn)了充分和穩(wěn)定的相分離，使電荷能更有效的分離和傳輸。
　　與對稱結(jié)構(gòu)的方酸SQ相比，不對稱方酸ASQ更容易進(jìn)行光電性質(zhì)的微調(diào)且在常見的有機(jī)溶劑中都具有更好

4、的溶解性。因此，我們設(shè)計合成了多種新的不對稱方酸材料，并重點(diǎn)研究了其中的ASQB和ASQC。對基于ASQB∶PC71BM的器件，通過優(yōu)化給受體配比，發(fā)現(xiàn)最佳比值為1∶8，通過70℃熱退火10分鐘，最終獲得最高效率2.24％。對基于ASQC∶PC71BM的器件，通過優(yōu)化給受體配比，發(fā)現(xiàn)最佳比值為1∶5，通過110℃熱退火10分鐘改善給受體相分離情況，獲得最高效率2.82％，并獲得迄今為止在小分子給體材料中的最高開路電壓值1.12V。隨后，

5、將ASQB摻入P3HT∶PC61BM中進(jìn)行了三元電池的研究。通過吸收光譜和X射線衍射譜證明了ASQB的摻入不僅沒有影響P3HT的結(jié)晶，反而能擴(kuò)寬吸收光譜的范圍，增加紅光和近紅外區(qū)域的吸收，還能通過F(o)rster能量轉(zhuǎn)移增加激子的產(chǎn)生，增加了器件的短路電流，從而將器件的效率從2.58％提高到3.22％。
　　通過分別引入環(huán)戊醇二氫吲哚基團(tuán)和環(huán)戊醇吲哚基團(tuán)，我們又合成了ASQ-1a和ASQ-1b兩種可溶液加工的非對稱結(jié)構(gòu)的方酸材料

6、。最終ASQ-1a為給體的器件獲得0.5的填充因子和4.01％的高效率，ASQ-1b為給體的器件獲得0.33的填充因子和2.22％的效率。通過ASQ-1a和ASQ-1b為給體器件的對比研究，我們發(fā)現(xiàn)材料密度越大，對應(yīng)器件的填充因子就越高，相比于載流子遷移率等參數(shù)，材料密度更便于測量和調(diào)控，這為我們以后分子設(shè)計提供了一個新的參考方向。之后我們使用了一種簡單的溶液法，分別用高錳酸鉀和雙氧水處理ITO表面進(jìn)行陽極修飾，提高了基于P3HT∶PC

7、61BM的電池器件性能。一方面KMnO4和H2O2的強(qiáng)氧化性提高ITO了的功函數(shù)從而降低了ITO和PEDOT∶PSS之間的勢壘，提高了空穴的收集效率;另一方面溶液處理還能去除ITO表面的碳污染物，使薄膜表面更加平滑清潔，增加ITO和PEDOT∶PSS界面間的平整度，進(jìn)而提高器件的性能。將該方法運(yùn)用于ASQ-1a∶PC71BM的器件中，用強(qiáng)氧化性的雙氧水溶液處理ITO表面，證明了該方法對器件效率的提升的確要好于傳統(tǒng)的紫外臭氧處理的方法，說