有机太阳能电池中可印刷型界面层材料的设计与制备

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作为新一代光伏技术,有机太阳能电池(OSC)具有制备工艺简单、成本低、轻质、易于制备大面积柔性器件等突出的优点,已经发展成为一类具有重要应用前景的新型光伏技术。近几年光伏技术迅速发展,OSC的能量转换效率(PCE)已经超过16%,具有潜在的应用前景和商业价值。目前,OSC的发展正在从高效率向产业化迈进,通过印刷工艺制备大面积器件已经成为有机光伏领域的研究热点。界面层作为连接电极与活性层之间的桥梁,通过界面层可以有效地调节电极的功函数,使电极和活性层之间形成良好的欧姆接触,对电荷的收集和提取具有至关重要的作用。目前,界面层材料主要依赖于旋涂的制备方法,限制了它们在大面积器件中的应用。因此,研究开发可印刷型界面层材料,对加快有机太阳能电池的实用化进程具有重要意义。现阶段的界面层材料由于载流子传输性能较差而阻碍了其工业化应用。本文研究工作即针对大面积器件的需求,通过“掺杂”的方法,来提高界面层的载流子传输性能,从而发展了新型的可印刷界面层材料,以此提高大面积器件的光伏效率。本文主要包括两部分工作,第一部分是关于可印刷型阳极界面层的设计及应用,第二部分是可印刷型阴极界面层的设计及应用。具体内容如下:(一)有机太阳能电池中基于无机材料的可印刷型阳极界面层材料。溶液法加工的MoOx界面层,可以通过还原掺杂的方法大幅提高氧化钼的电导率。使用少量的乙二醇(EG)部分还原前驱体七钼酸铵水溶液,可以将Mo(VI)部分还原成Mo(V),从而得到一种n掺杂的MoOx阳极界面层。相比未修饰的氧化钼界面层其电导率与原料MoO3相比提升了两个数量级,使用厚度从20 nm拓展到100 nm。用于制备1 cm2的大面积器件,并获得10%以上的光伏效率。(二)有机太阳能电池中基于有机材料的可印刷型阳极界面层材料。基于环戊二噻吩和苯基单元,设计并合成了三种p型自掺杂共轭聚电解质。通过增加聚合物主链中苯单元的数量,可以有效的改善材料的功函数以及光学透明度。以PCP-3B为阳极界面层且所有功能层均为刮刀涂布的方式加工制备的l cm2器件,实现了9.67%的能量转换效率。(三)有机太阳能电池中基于有机材料的可印刷型阴极界面层材料。萘酰亚胺类的可印刷型有机小分子阴极界面层材料NDI-N。通过掺杂的方式大幅改善了界面层材料的载流子传输性能,NDI-N兼具高结晶度、良好的成膜性和良好的电子传输性能。中国计量科学研究院(NIM)对我们采用刮涂工艺制备的1cm2大面积OSC器件进行了效率认证,最终认证效率为12.20%。
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