優(yōu)化有源層形貌提高有機(jī)太陽能電池性能的研究.pdf

1、近年來，有機(jī)太陽能電池得到快速發(fā)展。但是與傳統(tǒng)無機(jī)太陽能電池相比，有機(jī)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性仍然較低，還達(dá)不到產(chǎn)業(yè)化的要求。不僅有機(jī)太陽能電池的性能有待提高，其復(fù)雜的工作機(jī)理也需要進(jìn)一步研究。本論文以制備高效率高穩(wěn)定性的有機(jī)太陽能電池為核心目標(biāo)，以優(yōu)化有源層形貌為研究重點(diǎn)，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(diǎn)，以薄膜形貌表征技術(shù)、光學(xué)與光譜學(xué)表征技術(shù)、電學(xué)表征技術(shù)、表面成分表征技術(shù)為支撐

2、點(diǎn)，以探索優(yōu)化有源層形貌提高器件性能的關(guān)鍵科學(xué)問題為落腳點(diǎn)。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(jī)太陽能電池性能的影響機(jī)理。以SMPV1∶PC71BM和SMPV1∶ICBA為有源層的有機(jī)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(yuǎn)低于以PC71BM為受體的器件短路電流，主要原因有以下兩點(diǎn):(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(jī)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(shí)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(shí)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(jī)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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(jī)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(jī)太陽能電池性能的原因可歸納為以下三點(diǎn):(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(kuò)散，提高有機(jī)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(shí)間可以精細(xì)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