有機(jī)體異質(zhì)結(jié)太陽能電池活性層形貌的調(diào)控.pdf

1、有機(jī)太陽能電池因?yàn)榫哂谐杀镜汀⑷犴g性好和溶液加工等優(yōu)勢在過去的幾十年中吸引了大量研究人員的關(guān)注。經(jīng)過不懈的努力，目前有機(jī)太陽能電池的性能已經(jīng)突破了12％。研究人員在長期的探索過程中已經(jīng)意識(shí)到活性層形貌對于有機(jī)太陽能的性能有著至關(guān)重要的作用，然而如何獲得理想的活性層形貌還缺乏廣泛適用的原則。活性層形貌的問題依舊是復(fù)雜難懂并且制約有機(jī)太陽能電池性能提升的關(guān)鍵因素。
　　本論文基于有機(jī)太陽能電池工作機(jī)理對體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)活性層形貌的要求，研

2、究了活性層形貌的調(diào)控。圍繞活性層形貌調(diào)控涵蓋的四個(gè)方面：相區(qū)尺寸、給受體界面、雙連續(xù)互穿網(wǎng)絡(luò)和相區(qū)純度，我們首先研究了復(fù)雜三元體系的活性層形貌調(diào)控；然后研究了非富勒烯有機(jī)太陽能電池體系中取向的控制，提出了改變成核方式調(diào)控取向的新思路。主要內(nèi)容如下：
　　1、在三元體系中，活性層形貌相對與兩元體系提出了更多要求，而且由于額外組分的引入形貌調(diào)控更加復(fù)雜。我們首先根據(jù)能量轉(zhuǎn)移機(jī)理構(gòu)建了PTB7-Th:PF12TBT:PC71BM三元體系

3、，然后研究了 PTB7-Th:PF12TBT:PC71BM三元體系形貌的特殊性以及相對于 PTB7-Th:PC71BM的形貌變化。利用 Young氏方程計(jì)算得到潤濕系數(shù)判斷出PF12TBT傾向于在表面能的驅(qū)動(dòng)下被包埋在大尺寸的PC71BM相中；通過AFM、TEM和穩(wěn)態(tài)PL光譜發(fā)現(xiàn)了第三組分的引入導(dǎo)致活性層中形成了大尺寸的PC71BM相區(qū)。我們依據(jù)Flory-Huggins相互作用參數(shù)構(gòu)建了能進(jìn)一步增加PTB7-Th溶液聚集程度的CB/P

4、X/DIO溶劑體系，從而完善了三元體系在液-固相分離階段形成的 PTB7-Th結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)。更加完善的PTB7-Th結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)限制了PC71BM相區(qū)在Ostwald熟化過程中的生長，抑制了大尺寸PC71BM相的形成。由于PC71BM相區(qū)尺寸的減小，PF12TBT與PTB7-Th間的距離減小，PF12TBT向 PTB7-Th的能量轉(zhuǎn)移效率提高。兩元體系器件、CB/DIO溶液加工的三元體系器件和 CB/PX/DIO溶液加工的三元體系器件的性能分別

5、為8.09%、8.56%和9.28%，我們的結(jié)果證明了三元體系形貌調(diào)控的重要性以及通過形貌優(yōu)化在三元體系的基礎(chǔ)上進(jìn)一步突破有機(jī)太陽能電池性能記錄的可行性。
　　2、活性層中給受體分子的取向?qū)τ谳d流子遷移率和激子分離效率都有著重要的影響，然而目前共軛分子的取向機(jī)理還不明確，因此調(diào)控活性層中給受體分子取向的手段還很缺乏。在我們的工作中，提出了利用成核方式來調(diào)節(jié)共混體系中給受體分子取向的新思路。我們利用 p-DTS(PTTH2)2和 N

6、2200熔融溫度的差異，通過控制退火過程來實(shí)現(xiàn)共混體系中p-DTS(PTTH2)2的熔融和重新結(jié)晶。通過對溫度的控制可以實(shí)現(xiàn)p-DTS(PTTH2)2以不同的成核方式結(jié)晶，從而證明了當(dāng)p-DTS(PTTH2)2在N2200表面異相成核結(jié)晶時(shí)將采取與N2200晶體一致的取向排列，而p-DTS(PTTH2)2均相成核形成的晶體將采取edge-on的取向排列。接下來我們通過調(diào)控兩組分在溶液中的聚集狀態(tài)改變其成核勢壘，實(shí)現(xiàn)了兩組分結(jié)晶先后順序的

7、改變。當(dāng) p-DTS(PTTH2)2先于 N2200結(jié)晶時(shí)，先析出的p-DTS(PTTH2)2晶體將誘導(dǎo)N2200異相成核，因此兩組分都采取edge-on取向。此外由于共混組分溶液加工過程中液-液相分離的發(fā)展，共混體系的組成也會(huì)對兩組分的取向產(chǎn)生顯著的影響。根據(jù)溶劑和共混比例對兩組分取向的影響，我們繪制了 p-DTS(PTTH2)2/N2200體系的相圖。我們的工作為調(diào)控活性層中給受體分子的取向提供了新的思路,提升了對共軛分子共混體系取