表面活性剂包覆多金属氧簇复合物作为阴极界面层在反式聚合物太阳能电池中的应用及机理的研究
聚合物太阳能电池因具有质量轻、材料来源广泛、成本低廉、工艺简单、可实现柔性器件、可溶液加工及卷对卷大规模印刷制备等诸多优点备受人们关注。在本论文中我们首先使用四种表面活性剂包覆多金属氧簇复合物（SEPCs）作为阴极界面层(CILs)来提升反式聚合物太阳能电池（i-PSCs）的器件性能，然后从中优化出了最佳的CIL并对其工作机理进行了研究。 在第二章我们分别将SiW-12([(C8H17)4N]4[SiW12O40])、SiW-11(K3[(C8H17)4N]5[SiW11O39])、PW-12([(C8H17)4N]3[PW12O40])、PW-11(K2[(C8H17)4N]5[PW11O39])作为CILs应用于活性层为PTB7:PC71BM的i-PSCs中。结果这四种SEPCs作为CIL的i-PSC的器件性能均优于无CIL的器件，它们的能量转换效率（PCE）分别是5.44%（SiW-12），6.38%（SiW-11），5.85%（PW-12）和8%（PW-11）。其中含有PW-11的i-PSC的PCE甚至高于以ZnO为CIL的器件效率（PCE=7.4%）。电容-电压（C-V）特性及光电流密度-有效电压特性表征和载流子迁移率测量显示PW-11作为CIL的i-PSC具有更高的内建电压和载流子浓度，更好的电荷抽取能力，以及更高的电子迁移率。水接触角测量和原子力显微镜（AFM）图像呈现相比于其它SEPCs，PW-11在ITO上形成膜的表面疏水性更强，表面粗糙度更小，所以和活性层有更好的界面接触。紫外光电子能谱（UPS）结果表明在ITO和活性层之间引入PW-11可以将电子从PC71BM到ITO的抽取势垒从0.49eV降至0.15eV，远低于引入其它SEPCs，甚至也低于ZnO作为CIL的电子抽取势垒（0.18eV）。并且含有PW-11的i-PSCs器件稳定性也略优于含有ZnO的器件。以上结果表明作为i-PSCs的CILs，PW-11的性能明显优于其它SEPCs，是一种有希望取代ZnO的CIL材料。 在第三章我们将PW-11作为CIL应用于非富勒烯i-PSCs中。在PBDB-T:ITIC为活性层的i-PSCs中，加入PW-11能明显提升器件PCE。经过5分钟紫外（UV）光照后含有PW-11的器件PCE可达9.44%。而ZnO为CILs的器件PCE为9.91%。这主要是因为含有PW-11器件的开路电压（Voc）和填充因子（FF）低于含有ZnO器件的Voc和FF。C-V特性曲线测量得到的PW-11器件的内建电势也低于含有ZnO器件的内建电势。为了解释这一现象我们用UPS研究了退火对ITO/PW-11功函数和ITO/PW-11/ITIC界面电子抽取势垒的影响。结果表明退火使ITO/PW-11功函数从4.02eV升高到了4.2eV，ITO/PW-11/ITIC界面电子抽取势垒从0.16eV升高到了0.20eV。而在ITO/ZnO/ITIC界面，电子抽取势垒为0.17eV。所以在器件制备中非富勒烯活性层的退火处理破环了PW-11在ITO上的自组装，从而导致ITO/PW-11/ITIC界面的接触变差。暗态电流密度-电压曲线、光电流密度-有效电压曲线、载流子迁移率测量也证明因为活性层的退火处理含有P W-11的i-PSCs的电荷抽取能力及电子迁移率均略低于含ZnO的器件。 在第四章我们用UPS和X射线光电子能谱（XPS）研究了PW-11作为CILs在i-PSCs中的工作机理。我们发现UV光照处理能够降低ITO及ITO/PW-11的功函数。XPS数据给予的解释是UV光照能够有效的降低ITO及ITO/PW-11中ITO的氧缺陷。从UPS和XPS结果我们得出的结论是PW-11在ITO表面采取的自组装方式是分子中的有机部分远离ITO表面，而无机部分则化学吸附在ITO上。UV光照和有机活性层的引入进一步强化了这种排列方式。CIL在阴极界面的这样一种自组装方式和界面偶极方向是非常有利于电子抽取和获得高Voc的。
反式聚合物太阳能电池;阴极界面层;多金属氧簇复合物;表面活性剂包覆;制备工艺;光电子能谱
吉林大学
硕士
物理化学
李枫红
2020
中文
TM914.4;TM242:TM205.1
2020-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）