论文部分内容阅读
高分子本体异质结光伏器件是一种近代才出现的新型半导体器件，它集中了多种优异特质于一身，诸如可以通过简易的溶液加工法制备成柔性、轻便、而且更加低廉的光电器件。根据目前的研究水平，不管是高分子本体异质结太阳电池还是光电探测器，它们离商品化应用还有一段距离。本文的工作探讨高分子本体异质结光伏器件性能的影响因素，为器件性能的提高提供实验和理论依据。全文工作分为五个主要部分。第一部分工作中，我们以新型的硅芴衍生物PSiF-BBT作为给体材料，PC61BM作为受体材料制备太阳电池，发现当加工熔剂从氯苯改变为氯仿，器件的性能有了翻倍的提高。我们仔细对比两种溶剂加工的器件的外量子效率和载流子迁移率，以及两组活性层的吸收光谱和微纳形貌。我们发现：使用氯仿制备的器件拥有较高短路电流主要是由于其活性层中高分子相的吸收强度更高。在形貌研究中我们可以清晰地看到PSiF-BBT在用氯仿加工的共混层中分散均匀，相尺寸为～20nm，并呈纤维状。这一结果显示了溶剂效应对于这一硅芴衍生物体系性能的影响非常巨大，表现在薄膜吸收效率的改变，器件的短路电流显著改变。硅芴衍生物是一类非常有潜力的电子给体材料，而我们的发现和研究对于硅芴衍生物体系的光伏器件性能的优化有着重要的参考作用。第二部分工作中，为了找出醇溶性的胺基功能化富勒烯衍生物电子受体材料--PC61PN光伏性能低下的原因，我们将PC61PN作为少量掺杂物添加到P3HT:PC61BM的共混材料中制成器件，通过对比和分析掺杂与不掺杂器件的光伏特性，空穴和电子的传输特性，以及光伏性能和入射光强的相关性，我们发现了空穴迁移率的急剧下降，以及高阶复合的存在是含有PC61PN的器件性能低下的原因。器件的空穴电流对电压（电场）的强烈依赖性,具有指数分布陷阱型空间电荷限制电流的特性。我们的研究结果揭示了极性基团--胺基基团对器件性能的影响，为我们下面的材料合成和器件优化的后续工作起到了重要的启示作用。第三部分工作中，我们首次以ITO/界面修饰层/活性层/氧化钼（MoO3）/铝（Al）的倒置型器件结构制备了可见-近红外光电探测器，该探测器的探测波长范围可延伸至1150nm。其中活性层使用窄带隙材料NIR-2A和PC61BM共混材料作为活性层，界面修饰层材料为新型水/醇溶共轭聚合物（WASCPs）PF6NSO和PF6NO25Py。结果显示，这种倒置型光电探测器的探测率和线形动态范围都较小，主要原因在于器件较小的外量子效率以及较高的暗电流密度。同时，我们以纯铝、钙铝、WASCPs阴极界面层/铝电极和使用甲醇处理的Al电极制备了正置型的光电探测器以作为比较。在探测器工作区，正置型的纯铝器件和倒置型器件的暗电流表现相近，后者的外量子效率略优于前者。以钙铝或加入WASCPs阴极界面层的正置型器件的暗电流表现则非常优异，整流比达到了～104.5，远优于倒置型器件，然而外量子效率较低。但是该结果启发了我们要实现高效的倒置型有机光电探测器，可以通过提高电子注入的来压制暗电流此从而提高器件的性能。第四部分工作中，我们将油酸，1，8-二碘辛烷和1，8-硫醇作为少量添加剂加入到二维高分子太阳电池材料PSiF-DTA与PC71BM共混溶液，通过调控活性层形貌，实现了二维高分子太阳电池填充因子和能量转换效率的提高。通过比较器件的暗电流，我们找出了开路电压小幅降低的原因。薄膜吸收谱的对比显示在添加剂的作用下，吸收谱发生了小幅度红移。这显示聚合物分子链间的距离减小，给受体单元相互作用增强。通过对光伏特性与光强相关性的研究，我们发现，在短路电流处，器件的复合模式为一阶复合主导。另外，我们发现了这四种器件的内建电场随着光强的减小而增加，这一关系与其它多数线形高分子给体材料体系的情况相反。我们推测在二维高分子给体材料体系中，有一个与光强相关的因素在影响着器件的开路电压。二维高分子给体材料是一类非常有潜力的材料，然而较低的填充因子是制约其器件优秀性能实现的瓶颈，我们的实验证明添加剂作用可以明显改善填充因子。第五部分工作中，我们以一种离子化的带磺酸根基团的聚芴-苯电解质--PFPSO3Na作为高分子本体异质结太阳电池的铝电极与有机层间的界面层，应用于聚芴衍生物材料体系PFO-M3:PC61BM和PFO-DBT:PC61BM上，显著提升这两种电池器件的性能。前者的填充因子得到了大幅提高，能量转换效率从2.08%增加至2.34%；后者的短路电流以及开路电压均显著提高，能量转换效率从1.53%增加至1.98%。其次，我们尝试对聚电解质薄层进行Li2CO3掺杂，结果未能实现器件性能的提高。我们推测聚电解质层的工作机理并不等同于电子传输层的工作机理，这和它在有机发光二极管中的作用是不同的。