有机太阳能电池的阴极界面自组装以及光稳定性研究

发布时间：2020-06-02 06:40

【摘要】：有机太阳能电池在过去几年中的迅猛发展得益于新型非富勒烯受体材料的不断发展,目前器件效率最高的已经突破了16%,效率的突破也为有机太阳能在未来的应用铺平了道路。而要实现真正商业化离不开大面积加工的技术问题以及光稳定性的问题。因此,本文的两个主要的工作分别是围绕着这两个问题而展开的。首先,为了简化传统倒装器件结构加工步骤,我们在活性层溶液中加入阴极界面材料n型聚合物PF3N-2TNDI,在电极衬底氧化铟锡(ITO)上直接旋涂这种共混溶液,制备出来的器件性能可以比拟使用氧化锌做电子传输层的器件。基于PTB7-Th:PC_(71)BM体系,通过该策略制备的器件的最优的效率可以达到8.83%。我们通过对界面材料以及给受体的表面能进行测试,发现界面材料的表面能是大于给受体的,这表明界面材料和ITO的作用强于给受体与ITO的作用,因此在旋涂过程中界面材料会在ITO侧形成了一层电子传输层,从而达到简化加工工艺的目标。通过XPS测试,也验证了我们的推测。这个工作可以简化加工工艺,避免了一些不能做厚的界面难以在大面积中应用,为未来OPV的卷对卷加工提供了一些解决思路。然后,为了解决目前非富勒烯体系的有机太阳能电池光照稳定性比较差的问题,我们预想通过提高活性层薄膜形貌的光照稳定性来提高整个器件的光照稳定性。首先,我们通过在氧化锌界面上自组装形成一层C_(60)-SAM来修饰氧化锌,一方面可以钝化氧化锌的表面缺陷;另一方面可以改变和活性层接触的衬底的表面能来调控活性层的形貌。通过光照稳定性测试可以发现经过修饰后的器件光照稳定性是明显得到了提升,通过GIWAXS测试可以看到在C_(60)-SAM衬底上沉积的薄膜的结晶是弱于氧化锌衬底的,同时也更加接近老化后薄膜的较弱的结晶情况,从而达到了稳定活性层形貌以及器件性能的目的。为此,我们考虑结晶的弱化是否能够进一步提升器件的光照稳定性,我们测试发现绿色溶剂邻二甲苯加工的薄膜的结晶弱于氯苯的,于是我们将邻二甲苯溶剂加工和C_(60)-SAM界面修饰相结合制备出的薄膜的结晶在几个加工条件中是最弱的,在光照稳定性测试之下,我们可以看到器件的光照稳定性大幅度提升,通过对器件2000个小时的测试曲线进行拟合,可以得到T_(80)数值为33930 h。通过这个工作我们知道溶剂选择以及界面修饰可以通过影响有机薄膜的形貌来提高器件的光稳定性,不仅为我们提高器件的光稳定性提供了新的思路,同时为未来OPV的产业化奠定了基础。
【图文】：

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图 1-1 聚合物太阳能电池的正装结构和倒装结构示意图[10]。Fig. 1-1 Device architecture of conventional OPVandinvertedOPV共混异质结结构的有机太阳能电池的工作机理可以通过以下四个过程[11]来实现，如图 1-2 所示：（1）吸收光子并且产生激子的过程。有机半导体材料在光照的条件下会吸收能量大于其带隙的光子，，处于激发态的电子会从最高占据轨道（HOMO）跃迁到最低未占据轨道（LUMO），从而在 HOMO 上产生空穴空位，LUMO 上产生电子。这样产生的电子和空穴对会有很大的束缚能[12]，主要原因是有机半导体材料本身的低的介电常数，而这样的具有大的束缚能的电子空穴对称为激子。（2）激子扩散到给受体界面。激子作为有强束缚能的电子空穴对，由于其本质上显现的电中性使得其不受器件内建电场的影响，而激子的移动主要是靠扩散。相比较于双层异质结结构的器件，共混异质结结构的器件中由于相互贯穿的网络结构大大增加了给体和受体的相对接触面积，从而在一定程度上增加了激子在复合之前

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华南理工大学硕士学位论文和空穴会在器件内建电场的作用下分别向阴极和阳极移动。有机太阳能电池中活性层和电极之间的接触会影响电荷的收集效率，当活性层中给体材料的最高占据轨道（HOMO）和阳极的功函数匹配，受体材料的最低未占据轨道（LUMO）和阴极的功函数匹配的情况下，可以说它们之间接触就是欧姆接触，此时电荷收集效率达到最大值。但是活性层和电极之间的能级匹配达到欧姆接触的条件难度不小，为了尽量减小这部分的损失，界面修饰起到了很重要的提升电荷收集的作用阴极界面修饰材料降低了阴极的功函数；阳极界面修饰材料增大了阳极的功函数从而为尽可能地实现欧姆接触进而优化器件的各性能参数指标起到了重要的作用[14]。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB34;TM914.4

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