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聚合物和钙钛矿太阳能电池的界面研究

陈冰冰  
【摘要】:聚合物和钙钛矿太阳能电池因具有柔性、低成本、制备工艺简单等优点,受到了广泛的关注和研究。研究发现,它们有相似的界面特性,光电转换的几个关键过程——激子的分离、电荷的传输和收集,都与界面的特性息息相关。工作条件下器件的界面特性是动态变化的参数,传统的实验手段,如UPS、XPS、SKPM等,只能研究器件非工作条件下的静态界面。本论文主要利用光诱导介电响应、电场调制的光电流磁场效应、电场调制的光致发光、光场调制的电流-电压特性等原位测试手段,研究器件工作条件下的动态界面特性以及体内与电极界面之间的关联性。主要结论如下: (1)通过匹配给体材料的HOMO能级和受体材料的LUMO能级,制备了高效聚合物太阳能电池。研究发现,给体HOMO能级能明显改变界面处的电荷积累,而受体LUMO能级无明显影响,这表明界面积累的载流子是以空穴为主的,电极界面势能差值是控制电荷收集的关键因素,该研究结果为器件设计提供了直接实验依据。 (2)基于PBTTPD:PCBM体系,制备了不同PEDOT:PSS厚度的聚合物太阳能电池,利用光诱导介电响应发现它们有不同的界面电荷积累,电场调制的光电流磁场效应显示界面电荷积累多的器件中电荷转移复合物的束缚能更大,电荷在界面处诱导形成的与内建电场反向的界面电场会增加给体-受体分子界面处电荷转移复合物的束缚能,减小电荷分离;该研究揭示了界面电场对体内电荷分离的影响规律。 (3)探讨了填充因子与光强之间依赖关系的影响因素:体内陷阱、电荷复合、界面电荷积累,研究发现,在光强增加过程中,体内电荷复合和界面电荷积累等损耗过程会减小填充因子,在体内有陷阱的器件中填充因子随着光强的增加会先上升后下降;向活性层中掺杂可以作为电子陷阱的TCNQ分子后发现,增加TCNQ浓度后,填充因子与光强依赖关系曲线中最大填充因子所对应的光强会变大。该工作可以研究体内是否存在陷阱以及陷阱浓度相对比较,相较于其他方法,该手段更加简单。 (4)利用界面偶极材料P2改善了PCBM/A1界面特性,通过溶液旋涂法和真空镀膜法制备出高效的钙钛矿太阳能电池,将器件的效率从9.91%提升到了14.35%,并利用SKPM和电场调制的光致发光在器件非工作和工作条件下证明了界面偶极的存在,界面偶极可以提高界面电荷收集和体内电荷传输。 (5)在聚合物和钙钛矿太阳能电池工作条件下,体内和界面光伏过程是相互关联的。提高体内电荷的产生和传输性能会增强界面电荷积累;界面处的极化与积累会通过界面电场调控体内电荷分离和传输。该研究揭示了界面处光伏过程对整个器件的性能至关重要。 本论文利用以上原位测试方法在器件工作条件下揭示了界面电场对体内电荷分离、传输和界面电荷收集的重要性,建立了检测体内陷阱的新手段,制备出高效的太阳能电池器件。


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