有机光电探测器和太阳能电池界面设计与性能研究

发布时间：2020-08-03 12:39

【摘要】：有机光电探测器和太阳能电池由于具有制备工艺简单、质量轻、可溶液加工等优点,受到越来越广泛的关注。本文以有机光电探测器和太阳能电池为研究对象,从界面设计、制备工艺等角度展开研究,主要研究工作如下:1.真空蒸镀金属电极会在界面处对活性层形成扩散掺杂,导致光电探测器暗电流升高,探测器性能下降。针对这一问题,提出使用薄膜转印技术制备导电聚合物聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)电极来替代传统金属电极。转印导电聚合物PEDOT:PSS作为顶电极,可以有效避免在界面处金属电极对活性层的扩散掺杂。在-0.2 V工作偏压下,基于PEDOT:PSS聚合物电极光电探测器具有与金属电极探测器相当的光电流,而其暗电流密度降低了2个数量级,光电探测器的最大探测率超过10~(13) Jones。同时,PEDOT:PSS电极具有高透过率,光电探测器可以实现对光信号的双面响应。2.电子/空穴的反向注入是影响探测器性能的重要因素。在电极与活性层界面处插入电荷阻挡层是解决上述问题的有效手段之一。受限于阻挡层和活性层之间正交溶剂的选择,可以作为阻挡层的有机材料十分有限。因此,提出薄膜转印技术制备电子阻挡层,不仅可以阻挡金属电极对活性层的掺杂和电子的反向注入,实现低暗电流、高探测率的光电探测器,还可克服对正交溶剂要求的限制。该制备方法可抑制光电探测器暗电流,所制备的探测器的噪声电流低至10~-1414 A/Hz~(1/2),同时该方法具有普适性,制备的P3HT电子阻挡层可以应用于多种活性层的有机光电探测器中。3.单结和叠层器件结构已被广泛研究报道,而双层体异质结器件的制备仍然具有很大的挑战性,尤其是在工艺兼容性方面,包括上下层体异质结活性层加工溶液的正交性、各层加工温度兼容性等。薄膜转印技术可以有效避免上下两层体异质结活性层在制备过程中的相互影响,为制备新型的双层体异质结光电子器件提供了可能。基于薄膜转印技术,实现了双层体异质结活性层器件。对器件进一步研究发现,该类型器件的光生电压和外量子效率(EQE)响应光谱与体异质结的堆叠顺序和受体材料的选择密切相关。这一物理现象为不同功能的光电探测器设计提供了新的思路。4.低温、可溶液加工的高效界面层是实现高效柔性有机光电子器件的关键。乙氧基化的聚乙烯亚胺(PEIE)是目前广泛采用的高效低温电子传输层材料。然而,研究中发现PEIE中的氨基作为亲核试剂与非富勒烯受体材料中的给体单元和受体单元之间的C=C键发生Michael加成反应,破坏非富勒烯受体材料分子结构,从而导致非富勒烯太阳能电池效率低且出现“S”型曲线。针对这一问题,首次提出质子化PEIE氨基策略,来钝化非富勒烯受体材料和PEIE界面层之间的反应。基于该策略,实现了可室温条件下制备的高效柔性非富勒烯太阳能电池,光电转换效率达到了12.5%。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM914.4

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