聚合物太陽能電池中載流子復(fù)合與傳輸機(jī)制及器件特性的研究.pdf

1、聚合物太陽能電池中的物理過程對器件效率的提升具有重要的指導(dǎo)意義，在聚合物:富勒烯器件中，載流子復(fù)合、傳輸及收集的分析對其光伏特性的改善是十分重要的;復(fù)合過程中給體受體界面處的電荷轉(zhuǎn)移態(tài)(Charge Transfer State，CTS)復(fù)合與器件的開路電壓(Voc)及短路電流（Jsc）直接相關(guān);活性層與電極之間的界面修飾可以改善載流子的傳輸與收集，從而提高器件特性。
　　本論文中，首先通過外量子效率光譜響應(yīng)(EQE)及電致發(fā)光(

2、EL)探測了聚合物太陽能電池的電荷轉(zhuǎn)移態(tài)吸收與復(fù)合發(fā)光，發(fā)現(xiàn)除了給體材料和受體材料的EQE及EL特征外，出現(xiàn)了更低能量的CTS特征響應(yīng)，且此CTS特征響應(yīng)與給體材料和受體材料各自的最高占有軌道(HOMO)及最低未占有軌道(LUMO)能級差的變化趨勢通常是相一致的。另外，利用精細(xì)平衡理論，研究了電荷轉(zhuǎn)移態(tài)響應(yīng)中EQE與EL的聯(lián)系，通過EL光譜理論計算而得的EQE曲線與實(shí)際測量的曲線相吻合。隨后通過電荷轉(zhuǎn)移態(tài)EQE及EL計算了器件的理論開路

3、電壓值，計算的開路電壓結(jié)果與實(shí)際測量的有一定差距，在0.3～0.45 V之間，但是已經(jīng)與實(shí)際結(jié)果接近。通過電致發(fā)光外量子效率(QLED)及特征能量(Ech)對開路電壓的計算進(jìn)行了修正，使得計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值最大偏差縮小到0.15 V左右。研究了不同外加電壓（注入電流）下，器件CTS復(fù)合EL峰值位置的變化，發(fā)現(xiàn)實(shí)際測量到的EL峰值位置隨注入電流的變化比理論分析值要小。其可能的原因?yàn)椋拷鼫?zhǔn)費(fèi)米能級處低能態(tài)的載流子不容易移動，需要通過去陷(d

4、etrapping)過程，抬高其中的一個電子或者空穴到更高的載流子可以自由移動的能級，移動之后與另外相應(yīng)的載流子復(fù)合而發(fā)光。
　　借助于電容-電壓測試，研究了緩沖層對聚合物太陽能電池中載流子傳輸與復(fù)合的影響。介紹了聚合物太陽能電池中的電容-電壓(C-V)特性,并從載流子傳輸及界面勢壘兩方面分析了其對C-V曲線的影響。研究了MoO3及NPB修飾層對器件特性的影響，適當(dāng)厚度的修飾層可以改善器件的載流子傳輸和減小界面注入勢壘，從而提高器

5、件的短路電流及開路電壓。過厚的修飾層增加器件串聯(lián)電阻，阻擋載流子的注入與收集，引起載流子在器件內(nèi)的大量復(fù)合。借助C-V測試研究了修飾層對載流子復(fù)合及收集的影響，適當(dāng)厚度的修飾層改善載流子收集。初步研究了器件Voc與VCmax之間的關(guān)系，通過理論分析及實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，器件的Voc表示器件中的載流子復(fù)合與產(chǎn)生相等，VCmax表示載流子的復(fù)合超過電子在給體材料LUMO狀態(tài)密度函數(shù)的積累，兩者大小接近但存在差異。
　　研究了聚合物太陽能電池

6、中的界面復(fù)合及對器件特性的影響。首先，對比了雙層結(jié)構(gòu)與體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)器件的J-V及QLED隨注入電流的變化。由于雙層結(jié)構(gòu)不利于激子的解離，所以短路電流較體異質(zhì)結(jié)的都小。研究了載流子遷移率對QLED的影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)材料的載流子遷移率越高，越可能發(fā)生電子與空穴在金屬電極處的猝滅。初步研究了器件Jsc與QLED的關(guān)系，電荷轉(zhuǎn)移態(tài)電致發(fā)光的QLED代表了電子空穴的復(fù)合程度，復(fù)合程度越小，被外電路所收集的載流子越多，EQE的值就會大，器件的短路電流