有机体异质结太阳能电池活性层形貌的调控

发布时间：2018-11-03 20:05

【摘要】：有机太阳能电池因为具有成本低、柔韧性好和溶液加工等优势在过去的几十年中吸引了大量研究人员的关注。经过不懈的努力,目前有机太阳能电池的性能已经突破了12%。研究人员在长期的探索过程中已经意识到活性层形貌对于有机太阳能的性能有着至关重要的作用,然而如何获得理想的活性层形貌还缺乏广泛适用的原则。活性层形貌的问题依旧是复杂难懂并且制约有机太阳能电池性能提升的关键因素。本论文基于有机太阳能电池工作机理对体异质结结构活性层形貌的要求,研究了活性层形貌的调控。围绕活性层形貌调控涵盖的四个方面:相区尺寸、给受体界面、双连续互穿网络和相区纯度,我们首先研究了复杂三元体系的活性层形貌调控;然后研究了非富勒烯有机太阳能电池体系中取向的控制,提出了改变成核方式调控取向的新思路。主要内容如下:1、在三元体系中,活性层形貌相对与两元体系提出了更多要求,而且由于额外组分的引入形貌调控更加复杂。我们首先根据能量转移机理构建了PTB7-Th:PF12TBT:PC_(71)BM三元体系,然后研究了PTB7-Th:PF12TBT:PC_(71)BM三元体系形貌的特殊性以及相对于PTB7-Th:PC_(71)BM的形貌变化。利用Young氏方程计算得到润湿系数判断出PF12TBT倾向于在表面能的驱动下被包埋在大尺寸的PC_(71)BM相中;通过AFM、TEM和稳态PL光谱发现了第三组分的引入导致活性层中形成了大尺寸的PC_(71)BM相区。我们依据Flory-Huggins相互作用参数构建了能进一步增加PTB7-Th溶液聚集程度的CB/PX/DIO溶剂体系,从而完善了三元体系在液-固相分离阶段形成的PTB7-Th结晶网络。更加完善的PTB7-Th结晶网络限制了PC_(71)BM相区在Ostwald熟化过程中的生长,抑制了大尺寸PC_(71)BM相的形成。由于PC_(71)BM相区尺寸的减小,PF12TBT与PTB7-Th间的距离减小,PF12TBT向PTB7-Th的能量转移效率提高。两元体系器件、CB/DIO溶液加工的三元体系器件和CB/PX/DIO溶液加工的三元体系器件的性能分别为8.09%、8.56%和9.28%,我们的结果证明了三元体系形貌调控的重要性以及通过形貌优化在三元体系的基础上进一步突破有机太阳能电池性能记录的可行性。2、活性层中给受体分子的取向对于载流子迁移率和激子分离效率都有着重要的影响,然而目前共轭分子的取向机理还不明确,因此调控活性层中给受体分子取向的手段还很缺乏。在我们的工作中,提出了利用成核方式来调节共混体系中给受体分子取向的新思路。我们利用p-DTS(PTTH_2)_2和N2200熔融温度的差异,通过控制退火过程来实现共混体系中p-DTS(PTTH_2)_2的熔融和重新结晶。通过对温度的控制可以实现p-DTS(PTTH_2)_2以不同的成核方式结晶,从而证明了当p-DTS(PTTH_2)_2在N2200表面异相成核结晶时将采取与N2200晶体一致的取向排列,而p-DTS(PTTH_2)_2均相成核形成的晶体将采取edge-on的取向排列。接下来我们通过调控两组分在溶液中的聚集状态改变其成核势垒,实现了两组分结晶先后顺序的改变。当p-DTS(PTTH_2)_2先于N2200结晶时,先析出的p-DTS(PTTH_2)_2晶体将诱导N2200异相成核,因此两组分都采取edge-on取向。此外由于共混组分溶液加工过程中液-液相分离的发展,共混体系的组成也会对两组分的取向产生显著的影响。根据溶剂和共混比例对两组分取向的影响,我们绘制了p-DTS(PTTH_2)_2/N2200体系的相图。我们的工作为调控活性层中给受体分子的取向提供了新的思路,提升了对共轭分子共混体系取向的理解。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM914.4

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本文编号：2308873