有機基太陽能電池中有序結構材料及其界面和性能.pdf

1、有機材料遷移率的提高、薄膜器件界面的優(yōu)化以及器件結構的設計是提高有機太陽能電池轉換效率的重要途徑。本論文著重從這三個角度對有機太陽能電池展開了研究工作。
　　 有機／無機雜化鈣鈦礦結構材料把有機和無機分子有序地復合在一起，既具有無機半導體的高遷移率又具有有機半導體的高光電活性以及易加工性等優(yōu)點，有許多獨特的光學、電學和磁學性能。因此鈣鈦礦材料在各個領域特別是在發(fā)光二極管和薄膜場效應晶體管上的研究和應用較多，但是將有序鈣鈦礦材料應

2、用于太陽能電池的研究還未見報道。
　　 我們研究制備了三種具有代表性的有序的有機／無機雜化鈣鈦礦結構材料：(NH3C6H4OC6H4NH3)PbI4、(C14H13N2O2)2PbCl4和(3-BrC3H6NH3)2CuBr4，并對其各自的結構、紫外-可見光吸收性能、結晶性、穩(wěn)定性和傳輸性能等進行了表征，結果表明雜化鈣鈦礦結構材料有很好的光電性能，展示了其在光電領域廣闊的應用前景。其中(NH3C6H4OC6H4NH3)PbI4以

3、電子傳輸為主，具有較高的電子遷移率(0.065cm2·V-1·s-1);(C14H13N2O2)2PbCI4在紫外光波段同時具有較好的光電響應和光聲特性；(3-BrC3H6NH3)2CuBr4為p型半導體，在紫外-可見光范圍內(nèi)有很寬的吸收性能，又是排列規(guī)整的二維有序結構，有較高的遷移率。
　　 在光電薄膜器件中，界面接觸和能級匹配等問題在很大程度上影響著器件的性能，為了探討材料在器件中的聚集態(tài)結構及其相互作用，給器件性能優(yōu)化提供

4、理論基礎，我們設計了CuPc/Au/C60異質結結構原型器件，綜合運用UPS、XPS等多種表征手段，探討了Au納米粒子與CuPc薄膜的有機／金屬接觸界面以及Au在器件中的聚集態(tài)結構和作用，并對器件中各種材料的表面與界面的形成過程和性質進行了表征，得到了CuPc/Au/C60異質結的能級結構。我們還設計了未摻Au的CuPc/C60異質結結構作為對比。結果表明，在CuPc/Au/C60的界面形成過程中，Au與CuPc和C60之間產(chǎn)生了相互作

5、用，生成的是不連續(xù)的Au納米團簇。Au的極化作用使其與有機物之間形成了偶極層，同時XPS譜顯示了能帶彎曲的存在，所以CuPc/Au/C60界面形成過程中二次邊所反映出來的功函變化是由于能帶彎曲和界面偶極共同作用的結果。此外，我們還研究了有機／有機界面接觸的CuPc/氟代苝酰亞胺(DFPP)異質結，得到了材料界面處的能級結構，發(fā)現(xiàn)在該異質結中發(fā)生了較強的電荷轉移。
　　 我們制備了新型n型材料三-(5-氟-8-羥基喹啉)鋁(5FA

6、lq3)，該材料與金屬電極的界面研究未見報道。用UPS和XPS對在Ag上蒸鍍5FAlq3和在5FAlq3上蒸鍍Ag的漸變過程分別進行了表征，得到了兩者的能級結構。發(fā)現(xiàn)在Ag上沉積5FAlq3時，芯能級的位移不是由于發(fā)生了能帶彎曲，而是Ag的極化作用使得5FAlq3與銀之間形成了界面偶極，實驗結果用界面偶極模型可以得到很好的解釋。
　　 最后，我們將合成得到的有序p型的(3-BrC3H6NH3)2CuBr4引入有機太陽能電池中，該

7、材料在紫外-可見光譜范圍內(nèi)有較寬的吸收，與C60的吸收具有較好的互補性。從而有可能利用低成本、易加工且具有較高遷移率的有序雜化鈣鈦礦結構材料的優(yōu)點，制備低成本的光伏器件。結合旋轉涂覆和真空蒸鍍兩種方法，我們制備了ITO/PEDOT:PSS/BPA-CuBr4／C60/Al結構的太陽能電池原型器件，對其光伏性能進行了分析，并對影響器件性能的薄膜退火溫度和表面形貌進行了探討。結果表明在低溫退火條件下，鈣鈦礦材料中有機組分有序排列，使器件有最

8、佳的性能，其開路電壓Voc，短路電流密度Jsc，填充因子FF和轉換效率η分別為0.38V,0.21 mA·cm-2,0.25和0.021％，與未退火處理的器件相比，能量轉換效率提高了23倍。
　　 為了探討表面等離子激元共振吸收特性對光伏器件性能的影響，我們設計了ITO/PEDOT: PSS/CuPc/Au/CuPc/C60/Al結構太陽能電池器件。通過調節(jié)1nm厚的Au在CuPc薄膜中的位置，發(fā)現(xiàn)當Au納米粒子在CuPc薄膜中