卟啉小分子體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池和光電探測(cè)器的活性層形貌調(diào)控及器件性能研究

【摘要】：體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池和光電探測(cè)器由于具有輕質(zhì)、低成本且可在柔性基底上大面積成膜制備等優(yōu)點(diǎn)而受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的重視。在器件制備過程中,為了獲得優(yōu)異的器件性能,就需要優(yōu)化薄膜形貌使給體和受體形成合適尺寸的納米相分離結(jié)構(gòu)。一般而言,良好的活性層既要求給受體兩相具有較大的接觸界面,為激子的分離及載流子的產(chǎn)生提供足夠的場(chǎng)所,同時(shí)又要求給受體兩相能夠各自形成連續(xù)的載流子傳輸通道,將解離后的空穴和電子輸送到兩端的電極。本論文的主要工作就是基于以卟啉分子為給體材料來制備體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池和光電探測(cè)器,我們采用多種手段優(yōu)化器件結(jié)構(gòu),尤其是通過添加劑對(duì)活性層形貌進(jìn)行調(diào)控獲得了較高性能的小分子太陽(yáng)能電池和光電探測(cè)器,對(duì)基于卟啉體系或其它小分子體系的器件性能的優(yōu)化有著一定的指導(dǎo)意義。1.在主體溶液中加入適量的雙齒配體4,4’-聯(lián)吡啶(Bipy),利用Bipy含氮芳環(huán)上的孤對(duì)電子和卟啉小分子Por-1的中央金屬的配位作用來制備有機(jī)薄膜。我們比較系統(tǒng)地研究了純小分子給體薄膜和給受體共混薄膜在不同Bipy含量下的光學(xué)特性、表面形貌和結(jié)晶特性等的改變,并制備了相應(yīng)的單空穴器件,對(duì)活性層內(nèi)的載流子遷移特性進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn):適量的Bipy和Por-1通過配位形成(Por-1)2·Bipy復(fù)合結(jié)構(gòu),而過多的Bipy將導(dǎo)致(Por-1)2·Bipy結(jié)構(gòu)分解成Por-1·Bipy。(Por-1)2·Bipy的形成有效提高了薄膜中Por-1的短程有序性以及分子間的耦合作用,薄膜的吸收強(qiáng)度、結(jié)晶強(qiáng)度和單空穴遷移率都明顯增大。當(dāng)以PC71BM為受體材料時(shí),器件的PCE從1.85%提高到2.83%。這一研究結(jié)果對(duì)優(yōu)化基于卟啉體系的電池器件性能有一定的參考作用。2.卟啉小分子Por-2和Por-3由于具有大π共平面結(jié)構(gòu),分子間作用力較大,很容易通過自聚集形成較大尺寸的給體相,和PCBM的混容性較差,其活性層形貌不利于激子的分離和載流子的傳輸。為了解決這一問題,我們引入吡啶為添加劑,同樣利用含氮芳環(huán)上的孤對(duì)電子和卟啉中央金屬Zn的配位作用來調(diào)控活性層形貌,實(shí)現(xiàn)了器件性能的顯著提高。以3%吡啶為添加劑,基于Por-2:PC61BM的電池器件,和不含添加劑的相比,PCE從3.71%提高到4.78%,而基于Por-3:PC71BM的電池器件在加入1%吡啶的條件下,PCE從1.61%提高到4.15%。研究表明添加吡啶提高器件性能的原因主要是減小了給受體兩相的相分離尺寸,并形成了規(guī)整性更高的給體相,通過提高活性層中的空穴遷移率和降低電子遷移率實(shí)現(xiàn)了載流子傳輸?shù)钠胶狻?.基于Por-4:PC61BM體系,我們研究了添加劑1,8-二碘辛烷(DIO)的含量和其殘留在活性層中的DIO的抽取速率對(duì)正置及倒置電池器件性能的影響。研究表明:添加0.4%的DIO提高了Por-4在活性層中的有序性和并形成了更為理想的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),得到了更高且更平衡的空穴和電子遷移率,與未加DIO的器件相比,PCE從5.83%提高到7.23%。同時(shí),為了獲得優(yōu)異的倒置電池器件,在器件制備過程中相比正置器件需要添加更高含量的DIO,其原因一方面是高濃度的DIO能夠進(jìn)一步提高Por-4的結(jié)晶度外,另一方面DIO在旋涂過程中還能夠誘導(dǎo)Por-4在活性層表面富集從而形成有利于倒置器件的縱向相分離相貌。此外,我們研究了活性層中殘留DIO的抽取速率對(duì)活性層形貌和器件性能的影響,研究表明:在一定時(shí)間范圍內(nèi)延長(zhǎng)殘余的DIO在活性層中的留存時(shí)間有利于提高給體Por-4的有序性,并形成更好的相分離尺寸,活性層的空穴遷移率和電池器件性能明顯提高。在添加1.5%DIO的條件下,倒置器件的短路電流達(dá)到19.25 m A cm-2,PCE達(dá)到7.78%。4.我們制備了基于窄帶隙卟啉小分子Por-3為電子給體材料的近紅外光電探測(cè)器,并通過活性層厚度的優(yōu)化獲得了優(yōu)異的器件性能。研究發(fā)現(xiàn)增大活性層的厚度有利于提高器件在近紅外區(qū)(600-960 nm)的外量子效率,并抑制器件在反向偏壓下的漏電流。通過器件的優(yōu)化,在零偏壓的條件下,膜厚為110 nm的探測(cè)器的外量子效率高達(dá)20%,并且器件的暗電流低至n A cm-2,光暗電流比達(dá)到105,探測(cè)率在380-900 nm的范圍內(nèi)高達(dá)1012 Jones。 【關(guān)鍵詞】：有機(jī)太陽(yáng)能電池 卟啉 薄膜形貌 添加劑 光電探測(cè)器
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 緒論13-45
• 1.1 前言13-14
• 1.2 有機(jī)太陽(yáng)能電池的發(fā)展歷程14-17
• 1.3 有機(jī)太陽(yáng)能電池的工作原理17-19
• 1.3.1 有機(jī)半導(dǎo)體的能帶模型17
• 1.3.2 有機(jī)太陽(yáng)能電池的光生伏特效應(yīng)17-18
• 1.3.3 有機(jī)太陽(yáng)能電池的等效電路18-19
• 1.4 有機(jī)太陽(yáng)能電池的性能參數(shù)19-21
• 1.5 有機(jī)太陽(yáng)能電池性能的影響因素21-23
• 1.5.1 短路電流的影響因素21-23
• 1.5.2 開路電壓的影響因素23
• 1.5.3 填充因子的影響因素23
• 1.6 優(yōu)化體異質(zhì)結(jié)活性層形貌的研究23-42
• 1.6.1 材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)24-26
• 1.6.2 選用合適的溶劑26-30
• 1.6.3 調(diào)節(jié)共混配比30-31
• 1.6.4 加熱退火處理31-33
• 1.6.5 溶劑處理33-35
• 1.6.6 化學(xué)熱處理35-36
• 1.6.7 制備納米纖維36-37
• 1.6.8 使用添加劑37-42
• 1.7 本論文的研究目的和主要工作42-45
• 1.7.1 本論文的研究目的42-43
• 1.7.2 本論文的主要工作43-45
• 第二章 電池器件的制備和性能測(cè)試45-51
• 2.1 電池器件的制備45-49
• 2.1.1 器件制備所需儀器45-46
• 2.1.2 正置電池器件制備流程46-48
• 2.1.3 倒置電池器件制備流程48-49
• 2.2 器件的性能測(cè)試49-50
• 2.2.1 電流密度-電壓特性曲線49-50
• 2.2.2 外量子效率的測(cè)試50
• 2.3 本章小結(jié)50-51
• 第三章 雙齒配體聯(lián)吡啶在卟啉電池中的應(yīng)用51-65
• 3.1 研究背景51-52
• 3.2 實(shí)驗(yàn)材料和器件結(jié)構(gòu)52-53
• 3.3 薄膜物理特性的測(cè)試53-55
• 3.4 結(jié)果與討論55-64
• 3.4.1 聯(lián)吡啶對(duì)薄膜吸收光譜的影響55-57
• 3.4.2 聯(lián)吡啶對(duì)薄膜形貌的影響57-60
• 3.4.3 聯(lián)吡啶對(duì)活性層結(jié)晶特性的影響60-61
• 3.4.4 聯(lián)吡啶對(duì)活性層的空穴遷移率的影響61-62
• 3.4.5 聯(lián)吡啶對(duì)電池器件性能的影響62-64
• 3.5 本章小結(jié)64-65
• 第四章 添加劑吡啶優(yōu)化活性層形貌提高電池性能的研究65-77
• 4.1 研究背景65-66
• 4.2 實(shí)驗(yàn)材料和器件結(jié)構(gòu)66-67
• 4.3 薄膜相關(guān)物理特性的測(cè)試67-68
• 4.4 結(jié)果與討論68-76
• 4.4.1 吡啶對(duì)電池器件性能的影響68-69
• 4.4.2 吡啶對(duì)活性層形貌的影響69-70
• 4.4.3 吡啶對(duì)活性層吸收光譜的影響70-72
• 4.4.4 吡啶對(duì)活性層結(jié)晶特性的影響72
• 4.4.5 吡啶對(duì)活性層載流子遷移率的影響72-74
• 4.4.6 吡啶提高太陽(yáng)電池性能的普遍性研究74-76
• 4.5 本章小結(jié)76-77
• 第五章 使用添加劑DIO優(yōu)化正置和倒置電池器件性能的研究77-104
• 5.1 研究背景77-78
• 5.2 實(shí)驗(yàn)材料和器件結(jié)構(gòu)78-79
• 5.3 薄膜相關(guān)物理特性的測(cè)試79-81
• 5.4 結(jié)果與討論81-102
• 5.4.1 正置高性能小分子光伏電池的制備81-82
• 5.4.2 DIO優(yōu)化活性層提高正置器件性能的原因82-85
• 5.4.3 倒置高性能小分子光伏電池的制備85-86
• 5.4.4 增大DIO含量提高倒置器件性能的原因86-92
• 5.4.5 受體的含量對(duì)正置和倒置器件性能的影響92-93
• 5.4.6 活性層殘余DIO對(duì)倒置器件性能的影響93-96
• 5.4.7 活性層殘余DIO影響倒置器件性能的原因96-102
• 5.5 本章小結(jié)102-104
• 第六章 基于卟啉體系的有機(jī)光伏型光電探測(cè)器的研究104-113
• 6.1 研究背景104-105
• 6.2 實(shí)驗(yàn)材料和器件結(jié)構(gòu)105-106
• 6.3 光探測(cè)器的主要性能參數(shù)和表征106-108
• 6.3.1 光譜響應(yīng)度106
• 6.3.2 光電流、暗電流和噪聲106-107
• 6.3.3 探測(cè)率107-108
• 6.4 結(jié)果與討論108-112
• 6.4.1 吸收光譜108
• 6.4.2 活性層厚度對(duì)外量子效率的影響108-110
• 6.4.3 活性層厚度對(duì)暗電流的影響110-111
• 6.4.4 不同活性層厚度的探測(cè)器的探測(cè)率111-112
• 6.5 本章小結(jié)112-113
• 結(jié)論113-114
• 參考文獻(xiàn)114-131
• 攻讀博士學(xué)位期間取得的研究成果131-134
• 致謝134-135
• 附件135

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