聚合物太阳电池电极缓冲层的功能扩展与应用

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聚合物太阳电池具备柔性、轻薄以及可溶液加工的优点,能够进行大面积连续化生产并有利于降低生产成本,是颇具潜力的可再生能源发展方向。目前为止,人们在发展电极缓冲层多样化功能方面投入了巨大的努力,为器件的性能优化提供了清晰而有效的策略,如使用光学间隔层、等离子体增强、构建界面偶极矩以及功函调控等。基于电极缓冲层的功能扩展和应用,我们在有机光伏器件加工和器件性能优化领域做出了一些富有意义的结果,总结如下:  基于阳极缓冲层在光热性能上的特点,我们提出了通过汽化特定的目标层实现上层薄膜机械剥离的方法,称之为“滤镜层阈值”(Layer Filter Threshold,LFT)技术。对于具有金属/活性层/PEDOT∶PSS/ITO/玻璃堆叠结构的光伏器件,PEDOT∶PSS可以作为有效的“滤镜层”。借助激光蚀刻过程中的“自对准”效应,可以实现模组器件中P1和P2蚀刻线的合并。激光功率和蚀刻效果之间的关系也被详细的讨论。最后,利用LFT技术,我们制备出了基于P3HT∶PC61BM体系的光伏模组器件。器件结果显示,随着模组中串联单元数的增加,器件效率损失可以被限制在较小范围内,并且所制模组器件的几何填充因子超过90%。与传统激光蚀刻方法相比,LFT技术无需依赖精密的激光设备,但能达到和精密激光设备相当的工艺质量,显示出该技术在半导体薄膜器件商业化推进中的潜在应用价值。  基于对LFT技术的阐述,我们进一步通过采用LFT技术加工基于窄带隙材料体系PBDT-TFQ∶PC71BM的光伏模组器件,探究该技术的普适性。实验结果证明,由于电极缓冲层对工艺参数的主导作用,LFT技术有很强的工艺可移植性。  对于阴极缓冲层的功能扩展,我们提出了基于混合型阴极界面层(HybridCathode Buffer Layer,HCBL)的界面修饰策略。我们通过在作为主体材料的PFN中引入4-氟-1,2苯二胺(FPDA)作为界面修饰剂,实现了器件中载流子产生和提取过程的调控。我们发现,这种界面修饰功能来源于对界面激子淬灭过程的抑制,空穴阻挡能力的提升以及电子传输能力的钝化的共同作用。实验结果显示,随着HCBL中界面修饰剂含量的变化,这三种因素同时变化并共同决定器件性能。由于HCBL界面修饰策略表现出了有效、可控和容易实现的特点,这为电极缓冲层的多样化功能扩展和优化器件性能提供了一种通用的方法。
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