新材料聚合物太陽能電池及反型結(jié)構(gòu)器件的研究.pdf

1、1986年，C.W.Tang首次提出了雙層結(jié)構(gòu)有機太陽能電池；1995年，Heeger提出了體異質(zhì)結(jié)太陽能電池的概念，開啟了有機太陽能電池快速發(fā)展的時代；2012年，有機太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率達到10％，表現(xiàn)出極大的應(yīng)用前景。目前，有機太陽能電池在光電轉(zhuǎn)換效率及穩(wěn)定性方面還不能與傳統(tǒng)無機太陽能電池相媲美，因此在進一步的研究中必須克服這兩大問題。1)合成新型窄帶隙聚合物材料被認為是提高有機太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的最有效方法；2)反型結(jié)構(gòu)有

2、機太陽能電池可以避免PEDOT：PSS對ITO的腐蝕及低功函數(shù)金屬電極在空氣中容易被氧化等缺點而大大提高器件的穩(wěn)定性。本文基于這兩方面考慮，對新型聚合物材料F8T2的發(fā)光與光伏特性進行了研究，在基于結(jié)構(gòu)為ITO/Cs2CO3/P3HT：PCBM/MoO3/Al的反型有機太陽能電池中研究了不同退火方式對器件性能的影響。通過兩組實驗結(jié)果表明：1)F8T2是一種良好的給體材料，其較低的HOMO能級決定了器件具有較高的開路電壓；2)在反型聚合物

3、太陽能電池中，對P3HT：PCBM和MoO3進行兩次退火可以有效提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率。
　　首先，分別基于ITO/PEDOT：PSS/F8T2/Bphen/LiF(0 or1 nm)/Al和ITO/PEDOT：PSS/F8T2/Bphen/Al兩種器件結(jié)構(gòu)研究了F8T2的發(fā)光與光伏特性。F8T2在驅(qū)動電壓達到15V時發(fā)出亮度達到45μW明亮的黃光，與其光致光譜一致。F8T2對400-500nm波長的太陽光有較強的吸收，其吸收邊在

4、560nm，與P3HT相比要短一些。在F8T2中摻入少量PCBM后，其光致發(fā)光光譜發(fā)生了明顯的猝滅，這說明激子在F8T2與PCBM的界面被有效解離。以F8T2：PCBM為有源層的光伏器件的光電轉(zhuǎn)換效率達到0.1％，開路電壓為0.91V，短路電流密度為0.23mA/cm2。為了擴展有源層對光譜的響應(yīng)范圍，制備了以F8T2：P3HT：PCBM為有源層的雙給體聚合物太陽能電池，其光電轉(zhuǎn)換效率被提高到0.9％，Voc和Jsc分別為0.85V和3

5、.02mA/cm2。
　　其次，以Cs2CO3修飾ITO作為陰極MoO3修飾Al作為陽極，制備了反型結(jié)構(gòu)有機太陽能電池，將Cs2CO3溶解于乙二醇乙醚溶劑中并旋涂于ITO表面，對其進行SEM表征后發(fā)現(xiàn)了雪花狀表面形貌，退火后平面雪花狀結(jié)構(gòu)變?yōu)槿S立體結(jié)構(gòu)。對反型聚合物太陽能電池的有源層和MoO3層分別進行退火后，器件的光電轉(zhuǎn)化效率接近2％，開路電壓為0.57V，短路電流密度為8.8mA/cm2，填充因子為38.7％。對退火前后的有

6、源層進行了吸收光譜、X射線衍射及AFM表面形貌等進行了表征，探討了不同退火方式對提高反型聚合物太陽能電池性能的相關(guān)機理。對蒸鍍完Al電極的器件進行第三次退火，發(fā)現(xiàn)器件的性能出現(xiàn)了大幅衰減，這可能是由于Al原子滲透進MoO3中形成了新的電子傳輸通道，將不利于載流子的收集，器件的短路電流密度由8.8mA/cm2降低到4.6mA/cm2，使器件的性能有很大降低。鍵詞：反型結(jié)構(gòu)；聚合物太陽能電池；窄帶隙聚合物材料F8T2；P3HT：PCBM；退