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采用阴极界面修饰提高聚合物太阳电池性能的研究

蔡平  
【摘要】:聚合物太阳电池由于具有轻便、低成本以及可溶液加工和大面积加工等优点而受到广泛关注。然而,可溶液加工的聚合物太阳电池在能量转换效率以及器件稳定性等方面,与传统的无机光伏电池相比还处于劣势。鉴于此,本论文的主要研究对象是可溶液加工的聚合物太阳电池,研究工作主要分成三大部分:一,基于聚合物FBT-Th4(1,4)的场效应晶体管和太阳电池器件性能的研究;二,基于PECz-DTQx:PC71BM作为活性层,采用超高分子量水溶性聚合物作为阴极界面层的倒装聚合物太阳电池的研究;三,基于PTB7:PC71BM作为活性层,采用水溶性聚合物(超高分子量)和醇溶性聚合物组成双阴极界面层的倒装聚合物太阳电池的研究。第一,我们首先研究了基于D-A型共轭聚合物FBT-Th4(1,4)的场效应晶体管和太阳电池的器件性能。FBT-Th4(1,4)的溶液和薄膜的光学吸收一致,表明其具有较强的分子间聚集能力。基于聚合物FBT-Th4(1,4)制备底栅顶接触型场效应晶体管,通过介电层的界面修饰和调节制备工艺,实现高达1.92 cm2V-1s-1的空穴迁移率。基于FBT-Th4(1,4)制备太阳电池,主要从正、倒装器件结构,阴极界面修饰和活性层形貌调控三方面综合研究改善聚合物太阳电池的性能。最终,基于质量比为1:2.0的FBT-Th4(1,4):PC71BM活性层,采用1,2-二氯苯中添加含量为5%的氯萘作为加工溶剂,使用PFN阴极界面层,实现在活性层厚度为230 nm时,倒装太阳电池的效率达到7.64%;以及活性层厚度在100到440 nm范围内,倒装太阳电池的效率均超过6.5%。这是基于氟代苯并噻二唑为A单元的共轭聚合物的优秀结果,推动了聚合物场效应晶体管和太阳电池的发展。基于FBT-Th4(1,4)的高效厚膜倒装太阳电池,为印刷加工太阳电池提供了研究基础。第二,首次引入一种分子量高达300万的水溶性非共轭聚电解质(C-PAM)作为阴极界面层,应用于倒装聚合物太阳电池。与常见的阴极界面聚合物相比,超高分子量、带有极性侧基的C-PAM作为阴极界面层能与ITO和有机活性层形成独特的界面接触优势:数量巨大的极性侧基可与ITO实现很强的界面亲附(界面A),并能与有机活性层形成相对无机ITO更相容的界面接触(界面B)。通过UPS测试,C-PAM界面层也可以有效地降低ITO的表面功函数。基于PECz-DTQx:PC71BM活性层,采用纯C-PAM和Cs F掺杂C-PAM分别作为阴极界面层制备倒装太阳电池。其中,无阴极界面修饰和采用Zn O阴极界面层的对照器件的效率分别为2.10%和4.45%。而基于纯C-PAM和5%Cs F掺杂C-PAM阴极界面层的器件的效率分别为4.15%和5.25%。另外,较长时间地追踪了基于不同阴极界面层的器件存放于空气中的稳定性。其中,存放约9个月后,基于Zn O阴极界面层的器件的效率降低到初始的56%;存放约12个月后,基于纯C-PAM阴极界面层的器件的效率降低到初始的54%;而基于5%Cs F掺杂C-PAM阴极界面层的器件存放约15个月后,效率仍保持初始的64%。基于纯C-PAM和5%Cs F掺杂C-PAM阴极界面层的器件均表现出优秀的空气稳定性。这个结果说明,采用超高分子量水溶性聚合物作为阴极界面层为实现高效稳定倒装聚合物太阳电池提供了重要参考作用。第三,首次引入水溶性非共轭聚电解质(分子量高达280万的PDMC)和醇溶性聚合物(PFN)组成双阴极界面层(PDMC/PFN),应用于倒装聚合物太阳电池。超高分子量、带有极性侧基的水溶性PDMC,不仅可与ITO形成很强的界面亲附,还能满足醇溶性PFN阴极界面层的制备,从而组成PDMC/PFN双阴极界面层。我们研究了基于单独PDMC、PFN阴极界面层,或PDMC/PFN双阴极界面层的ITO的表面形貌、表面功函数和表面亲水/疏水性。其中,基于PDMC/PFN双阴极界面层的ITO展现了相对最平整的表面形貌,和降低程度最大的表面功函数,以及比较强的表面疏水性。基于PTB7:PC71BM活性层,分别采用单独PDMC、PFN阴极界面层,和PDMC/PFN双阴极界面层制备倒装太阳电池。基于单独PDMC、PFN阴极界面层的器件分别展现了7.72%和8.61%的光伏效率,而基于PDMC/PFN双阴极界面层的器件展现了高达9.01%的最佳效率。在空气中存放60天后,基于单独PDMC、PFN阴极界面层的器件的效率分别为初始的90%和88%;而基于PDMC/PFN双阴极界面层的器件的效率仍为初始的95%,展现了最佳的空气稳定性。该结果说明,采用水溶性聚合物(超高分子量)/醇溶性聚合物组成双阴极界面层的策略在实现高效稳定倒装聚合物太阳电池中具有重要意义。


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