有机半导体的掺杂及其在光伏器件中的应用研究

发布时间：2020-10-17 15:35

　　 掺杂可以提高有机半导体中的载流子浓度,改变有机半导体的费米能级位置以及填补其内部的电荷缺陷。在过去几十年中,有机半导体掺杂相关研究已被广泛报道,但有机半导体掺杂依旧面临一些问题,例如:可溶液制备的n型掺杂剂仍然缺乏、n型掺杂剂往往空气稳定性差、很多掺杂工艺与大面积柔性电子器件的制备工艺不兼容等。针对这些问题,本论文围绕n型掺杂剂及其在器件中的应用、适用于大面积印刷制备的p型掺杂等方面进行了探索和研究。首先,发展1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯(DBU)作为一种有效的n型掺杂剂。通过将DBU与n型半导体如[6,6]-苯基-C_(61)-丁酸甲酯(PC_(61)BM)和聚(2,7-双(2-辛基十二烷基)苯并[LMN][3,8]邻二氮杂菲-1,3,6,8(2H,7H)-四酮-4,9-二基)([2,2’]二噻吩基-5,5’-二基)(N2200)等共混或者将这些半导体材料置于DBU氛围中,即可实现对上述半导体材料的掺杂。掺杂后的PC_(61)BM薄膜,电导率从原来的7.80×10~(-8) S cm~(-1)提高到3.62×10~(-4) S cm~(-1);费米能级从-4.8 eV移动到-4.4 eV。掺杂后薄膜电导率的提升以及费米能级的变化,将利于半导体器件中电荷的传输、提取和收集。其次,探究DBU掺杂PC_(61)BM作为电子传输层在钙钛矿太阳能电池器件中的应用。发现掺杂后的电子传输层能够消除原有器件J-V曲线中存在的“S”形,提升电池的器件性能。优化DBU掺杂PC_(61)BM的浓度为0.1 wt.%时,器件性能最佳,电池的效率从10.51%提高到16.69%,其中填充因子从0.54提高到0.76。掺杂后的PC_(61)BM薄膜和Ag之间的势垒变小,而且以PC_(61)BM为半导体有源层的晶体管器件也表明掺杂后的PC_(61)BM薄膜电子迁移率有数量级的提高,从而造成电池器件性能的变化。另外,掺杂后的PC_(61)BM薄膜含有给电子能力强的DBU,能够钝化钙钛矿表面的缺陷。而且DBU本身具有较强的还原性,作为添加剂掺入到钙钛矿前驱体液中,能够抑制钙钛矿薄膜中产生碘单质缺陷,提升钙钛矿电池的效率和稳定性。最后,采用磷钼酸(PMA)异丙醇溶液浸泡非富勒烯活性层(PTB7-Th:IEICO-4F)制备了无蒸镀MoO_3空穴传输层的反式非富勒烯有机太阳能电池,器件效率达到11.37%。在浸泡过程中,PMA分子会逐步渗透到薄膜内,薄膜中的聚合物给体PTB7-Th会被氧化,进而诱导薄膜表面产生p型掺杂。掺杂后的PTB7-Th电导率提高,费米能级变深,从而促进器件中空穴的提取。由于这种浸泡技术可以避免器件制备过程中蒸镀MoO_3空穴传输层,因此可直接在PMA浸泡后的活性层表面通过转印或狭缝涂布技术印刷高导电性的聚合物聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)作为顶电极,进一步制备出了效率达10.37%的可印刷非富勒烯有机太阳能电池。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN304.5;TM914.4
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 引言
    1.2 n型掺杂剂
    1.3 p型掺杂剂
    1.4 太阳能电池概述
    1.5 本论文的研究思路与工作内容
2 n型掺杂剂DBU的性质探究
    2.1 引言
    2.2 实验部分
    2.3 DBU的还原性及掺杂作用
61BM的机理'>    2.4 DBU掺杂PC₆₁BM的机理
    2.5 DBU及 PEI和非富勒烯受体ITIC之间的相互作用
    2.6 本章小结
61BM在钙钛矿电池器件中的应用研究'>3 DBU掺杂PC₆₁BM在钙钛矿电池器件中的应用研究
    3.1 引言
    3.2 实验部分
61BM作为电子传输层的钙钛矿电池'>    3.3 DBU掺杂PC₆₁BM作为电子传输层的钙钛矿电池
61BM电子传输层的电荷注入及迁移率变化'>    3.4 DBU掺杂PC₆₁BM电子传输层的电荷注入及迁移率变化
61BM传输层对于钙钛矿层的钝化作用'>    3.5 DBU掺杂PC₆₁BM传输层对于钙钛矿层的钝化作用
    3.6 DBU抑制钙钛矿薄膜产生碘单质缺陷
    3.7 本章小结
4 PMA对非富勒烯活性层表面p掺杂用于可印刷有机太阳能电池的研究
    4.1 引言
    4.2 实验部分
    4.3 PMA掺杂PTB7-Th行为分析
    4.4 基于PMA掺杂的非富勒烯有机太阳能电池性能
    4.5 基于PMA掺杂的可印刷非富勒烯有机太阳能电池性能
    4.6 本章小结
5 结论与展望
    5.1 全文研究内容总结
    5.2 主要创新点
    5.3 研究展望
致谢
参考文献
附录1 攻读博士学位期间主要研究成果
附录2 英文缩略语对照表

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本文编号：2844983