有機(jī)太陽(yáng)能電池界面修飾和界面過程的研究.pdf

1、有機(jī)太陽(yáng)能電池由于成本低廉，功能材料來源廣泛，質(zhì)量輕，便于攜帶，耗能少，易制備成大面積柔性器件等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是新一代光伏器件的代表之一。目前低的轉(zhuǎn)換效率和不穩(wěn)定的性能阻止了有機(jī)太陽(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)化和實(shí)用化。大量研究表明，界面和界面過程往往是影響有機(jī)太陽(yáng)能電池性能和穩(wěn)定性的重要因素。這一方面的工作研究還亟待進(jìn)一步加深和完善。為了進(jìn)一步的提高有機(jī)太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率，界面修飾和界面過程相關(guān)的工作成為研究的熱點(diǎn)。怎樣通過界面優(yōu)化和設(shè)計(jì)來提高有機(jī)

2、太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率，怎樣進(jìn)一步的清楚和完善界面過程來提高有機(jī)太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率等問題受到廣大研究者的關(guān)注。本文主要從有機(jī)太陽(yáng)能電池的給體/受體界面優(yōu)化，阻擋層引入活性層，緩沖層的優(yōu)化以及修飾層的設(shè)計(jì)等四個(gè)方面出發(fā)，討論了界面優(yōu)化和設(shè)計(jì)對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池界面過程和性能的影響。本文分為以下5個(gè)部分:
　　1.給體/受體界面優(yōu)化促進(jìn)有機(jī)太陽(yáng)能電池中激子拆分
　　聚合物在溶液中是比較容易發(fā)生團(tuán)聚，團(tuán)聚后的溶液制備的薄膜分散不勻稱，

3、這樣的薄膜制備的太陽(yáng)能電池是不利于激子的拆分和電荷的收集。我們以P3HT作為給體材料，PCBM作為受體材料，用毛細(xì)管上升的高度來描述給體/受體溶液的團(tuán)聚程度，以不同的上升高度下的給體/受體溶液制備有機(jī)太陽(yáng)能電池。最終優(yōu)化出一個(gè)合適的團(tuán)聚程度的溶液，其毛細(xì)管的上升高度為3.2 cm，制備的電池在不需要熱處理獲到高達(dá)2.35％的轉(zhuǎn)換效率，電池的開路電壓是0.52 V，短路電流是8.35 mA/cm2，填充因子是54％。通過紫外可見光度計(jì)(U

4、V-Vis)對(duì)不同毛細(xì)管上升高度下溶液制備的薄膜進(jìn)行表征，可以得出團(tuán)聚的溶液制備的薄膜的吸收譜發(fā)生了紅移，而且在608 nm處還有明顯的尖峰出現(xiàn)，說明團(tuán)聚溶液有利于P3HT的結(jié)晶。分散的溶液制備的薄膜XRD峰值所在衍射角度向小角移動(dòng)，利用布拉格方程分析表明P3HT界面間距增加了，其主要的原因歸因于PCBM擴(kuò)散到P3HT里面，這樣的擴(kuò)散過程導(dǎo)致給體和受體的接觸面積大大的增加，提供了更多的激子拆分界面，促進(jìn)激子的有效拆分，進(jìn)而提高電池的轉(zhuǎn)換

5、效率。
　　2.阻擋層介入活性層提高有機(jī)太陽(yáng)能電池的性能
　　NPB作為阻擋層介入到n-n型的有機(jī)太陽(yáng)能電池活性層F16ZnPc/C60中。一方面NPB有效的阻止了C60中電子的回流復(fù)合丟失，另一方面提供了一個(gè)C60激子的拆分界面，增加了C60中激子拆分的空穴和F16ZnPc中的激子的相互作用，提高了電池的光電流和開路電壓，最終提高了電池的性能。EQE的測(cè)量和I-V測(cè)量表明NPB阻擋層有效阻止了電子的回流復(fù)合損失。研究表明，

6、NPB阻擋層厚度在2.5 nm內(nèi)時(shí)，F(xiàn)16ZnPc/C60界面上激子的復(fù)合比較顯著，電流的貢獻(xiàn)主要來自界面激子的相互作用。超過2.5 nm后界面上空穴和激子的相互作用更顯著，此時(shí)電流的貢獻(xiàn)主要來自空穴和激子的相互作用。有偏光和沒有偏光的EQE對(duì)比分析說明，隨著NPB厚度的增加，空穴和激子的相互作用越來越強(qiáng)，對(duì)電流的貢獻(xiàn)也越來越多。瞬態(tài)光電流測(cè)量更進(jìn)一步表明空穴和激子的相互作用存在于引入NPB阻擋層的電池中。
　　3.界面緩沖層優(yōu)化

7、促進(jìn)有機(jī)太陽(yáng)能電池電荷的收集
　　通過對(duì)PEIE厚度進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化，不同厚度的PEIE用來修飾ITO，把修飾過的ITO用于兩種聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池中，分別是P3HT∶PCBM和PTB7∶PC71BM聚合物太陽(yáng)能電池，優(yōu)化出最好的有機(jī)太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率分別為4.18％和7.40％。得出一個(gè)最優(yōu)的PEIE厚度大約為5nm。最優(yōu)的PEIE厚度提供了強(qiáng)的極化場(chǎng)保證最有效的電荷收集的同時(shí)還保持了電荷的隧穿平衡能力。量子效率EQE數(shù)據(jù)和I-

8、V數(shù)據(jù)對(duì)比分析說明，太厚的PEIE可以促進(jìn)了電荷的收集，但不利于電荷的隧穿。AFM表征證實(shí)了低于5nm厚度的PEIE制備的電池獲得低的轉(zhuǎn)換效率主要原因可能是太薄的PEIE對(duì)ITO的覆蓋不完全。對(duì)不同厚度的PEIE進(jìn)行表面接觸角的表征，同時(shí)表征了在不同的PEIE厚度上制備的活性層的厚度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著厚度增加接觸角逐漸降低，但是活性層的厚度并不隨PEIE厚度的改變而改變。UV-Vis測(cè)量和活性層厚度表征說明不同厚度的PEIE具有相似透射

9、率和相近的厚度，這樣的結(jié)果排除了PEIE厚度對(duì)光透射和活性層厚度的影響。
　　4.雙層界面修飾層對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池界面復(fù)合的有效抑制
　　PEIE覆蓋ZnO納米顆粒作為雙層的界面修飾層用在有機(jī)太陽(yáng)能電池P3HT∶PCBM體系中，制備出高達(dá)3.8％的轉(zhuǎn)換效率而不需要對(duì)活性層進(jìn)行熱處理，電池的開路電壓是0.59 V，短路電流是10.73 mA/cm2，填充因子是60％。這些性能參數(shù)都要高于僅僅用單層的ZnO或者PEIE制備的電池性

10、能參數(shù)。瞬態(tài)光電壓TPV和瞬態(tài)光電流TPC測(cè)量分析表明PEIE覆蓋在ZnO上作為雙層的界面層減小了界面復(fù)合損失，提高了電荷在界面的傳輸。電化學(xué)阻抗EIS的數(shù)據(jù)進(jìn)一步的說明PEIE覆蓋在ZnO上作為雙層的界面層降低了界面接觸電阻，加快電荷的傳輸和減小電荷在界面上復(fù)合損失。AFM圖表明PEIE均勻的覆蓋在ZnO納米顆粒上，一方面提高了活性層和修飾層這之間接觸面積，另一方面PEIE占據(jù)ZnO上吸附氧的位置，減小了氧吸附導(dǎo)致的缺陷，進(jìn)而提高了電