1、有機(jī)太陽能電池因?yàn)槠涑杀镜?可采用大規(guī)模的卷對(duì)卷柔性制備等優(yōu)勢(shì)而受到了廣泛關(guān)注,但是其較低的性能制約了其應(yīng)用前景。為了提高有機(jī)太陽能電池的性能,一方面是設(shè)計(jì)新型光敏材料和電池結(jié)構(gòu),另一方面就是從器件中的界面處進(jìn)行改進(jìn),這也是影響器件性能參數(shù)的重要環(huán)節(jié)。在活性層中的電子給體與受體之間界面,影響活性層薄膜的微觀形貌和載流子的產(chǎn)生,傳輸與復(fù)合;而另外一類界面通常是指器件和活性層之間的界面,它決定了電極的功函數(shù),兩者之間的能級(jí)是否形成歐姆接觸,

2、電極和活性層之間界面的電荷選擇和收集能力,器件對(duì)水和氧的穩(wěn)定性等。本論文圍繞有機(jī)太陽能電池中的各個(gè)界面進(jìn)行研究,包括合成新型活性層材料來調(diào)控給受體的異質(zhì)結(jié)界面,設(shè)計(jì)新型界面材料來修飾活性層和電極之間的緩沖層界面,最終達(dá)到提高器件效率和穩(wěn)定性的目的。
　　活性層中我們通過合成新型具有自組裝性能的活性層材料,包括液晶自組裝和氫鍵自組裝兩類,來調(diào)控活性層中給受體材料的接觸界面。設(shè)計(jì)合成了一種以芴和苯并噻二唑共聚物為主連,以氰基聯(lián)苯基團(tuán)為

3、液晶側(cè)鏈的新型液晶共聚物PFcbpDTBT。在相應(yīng)的液晶態(tài)對(duì)聚合物薄膜PFcbpDTBT進(jìn)行熱處理,可以使得聚合物主鏈和側(cè)鏈都采取有序排列的方式。而取向有序的結(jié)構(gòu)給聚合物帶來了很多新的特性,包括其光學(xué)吸收能力增強(qiáng),邊帶紅移,熒光強(qiáng)度增強(qiáng),和LUMO能級(jí)的降低。液晶聚合物的取向排列不但可以使得整個(gè)活性層薄膜中形成良好的納米相分離,還能夠誘導(dǎo)富勒烯受體采取較為有序的堆積方式分布在活性層中。液晶聚合物有序的自組裝排列為有機(jī)光伏提供了一種控制活

4、性層形貌的簡(jiǎn)單易處理優(yōu)化方法。器件在液晶態(tài)(200oC)下退火后,光電轉(zhuǎn)換效率提高了兩倍左右達(dá)到了1.1％。另外一類為合成聚噻吩烷基末端帶咪唑基團(tuán)的共聚物P3HTM,可以與含羧基的富勒烯衍生物PCBA形成分子間的O-H···N氫鍵。通過溶液極性調(diào)控和熱退火,不但可以調(diào)控自組裝排列,還可以誘導(dǎo)富勒烯也隨之取向堆砌,并影響聚噻吩和P3HTM:PCBA活性層的光吸收范圍和強(qiáng)度?；钚詫颖∧ば纬呻p分子的自組裝體系,該納米有序形貌為激子的分離提供了

5、更多界面并且為載流子的傳輸提供了傳輸通道。因此,P3HTM:PCBA為活性層器件的光電轉(zhuǎn)換效率提升至3.2%。此外P3HTM中多余的Br基團(tuán)還可以用于紫外交聯(lián)而提高器件的穩(wěn)定性。
　　在緩沖層中我們首先研究了通過界面材料來調(diào)控界面的電學(xué)性能,通過分子設(shè)計(jì)分別合成了以聚噻吩為主鏈的電子傳輸層和空穴傳輸層。新型帶銨基的離子聚噻吩P3HTN可作為陰極緩沖材料,P3HNT的引入可以降低金屬Al的功函數(shù),保證陰極和活性層之間形成良好的歐姆接

6、觸,器件在空氣中熱退火后,以P3HTN為緩沖層的器件的PCE從1.8%提高到了3.3%。通過比較不同主鏈的離子聚合物緩沖材料,我們發(fā)現(xiàn)P3HNT離子聚合物不僅可以修飾陰極金屬的能級(jí),還能與活性層相互作用從而提高活性層和陰極金屬的接觸,減少載流子在界面的損失并提高電子的收集能力。同時(shí)設(shè)計(jì)并合成一類可以作為空穴傳輸材料的新型嵌段共聚物P3HT-b-P3FAT,該嵌段聚噻吩合物由烷基段和氟取代烷基段組成。由于 F烷基鏈低的表面能,其可以在旋涂

7、成膜時(shí)在界面自組裝形成一層單分子。對(duì)于不同比例的嵌段聚噻吩,我們觀察到形成單分子層所需的嵌段聚合物濃度也不同。嵌段聚合物中氟烷基段可以修飾界面的費(fèi)米能級(jí),烷基段能增強(qiáng)活性層和電極之間的接觸,提高空穴的收集效果,以飽和濃度的PFT-3HT(1.5mgmL1)為緩沖層時(shí),器件的PCE提高到了4.6%。要優(yōu)于采用PEDOT:PSS的器件性能(2.9%),此外,相對(duì)于吸濕性和酸性的PEDOT:PSS,嵌段聚噻吩具有良好的穩(wěn)定性,是一類新型有效并

8、且簡(jiǎn)易的空穴傳輸材料。
　　此外,研究了反向器件中雙層緩沖材料的雜化組合對(duì)器件界面的優(yōu)化。在電子傳輸層ZnO中,在能級(jí)調(diào)控方面,以PEIE/ZnO為雙層緩沖層組合時(shí)能得到最低的功函數(shù),ZnO的功函數(shù)減小了0.7eV,適用于高LUMO能級(jí)的非富勒烯受體材料PIDSe-DFBT,可增加電子的傳輸和收集。然而以富勒烯衍生物PCBM-COOH修飾ZnO得到了雙層緩沖層,不但可以修飾去除ZnO表面缺陷,還可以增加其與活性的作用,可能更適合以

9、PCBM為受體的有機(jī)太陽能電池。在空穴傳輸層方面,本文設(shè)計(jì)了新型的組合雙層空穴傳輸材料GO/MoO3,GO的引入可以使得整個(gè)空穴傳輸層更加的連續(xù)均勻分布,而且GO可以通過表面摻雜的形式來提高界面的電導(dǎo)率。通過各層緩沖層界面的優(yōu)化,我們證明了器件在反向結(jié)構(gòu)中可以取得和正向結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)钠骷?而且不同的緩沖層組合可以適用不同的體系,對(duì)有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)的多樣化發(fā)展提供了更多可行路線。
　　最后,除了電學(xué)方面的作用,界面緩沖層的修飾同樣

10、可以改善有機(jī)太陽能電池的光學(xué)性能。本文中設(shè)計(jì)采用高效的等離子體效應(yīng)把兩種尺寸不同的三角銀納米柱雙摻雜入不同的緩沖層中。分析雙摻雜納米粒子后的等離子體器件的吸收光譜增加和外量子效率光譜的增加,發(fā)現(xiàn)選用兩類消光吸收不同的三角銀納米可以取得相互補(bǔ)充的效果。更重要的是,緩沖層中摻雜三角銀納米柱的方法具有很好的普遍性,使用于多種不同結(jié)構(gòu)的聚合物有機(jī)光伏器件,性能都取得了16-18%的增加。其中以PIDTT-DFBT:PC71BM為活性層的器件的最