论文部分内容阅读
近年来，随着有机太阳能电池的材料、形貌、器件、机理和表征等方面的发展，实验室报道的能量转换效率已经突破12％。为推动有机太阳能电池走向应用，还需要进一步提高其光伏性能。在给体受体组成的体相异质结主体中加入第三种组分的三元有机太阳能电池是推动有机太阳能电池发展的方向之一。本文主要研究由聚合物和小分子给体与富勒烯衍生物受体组成三元有机太阳能电池。主要开展的研究工作如下: 1.研究了基于共轭小分子BDT-3T-CNCOO、共轭窄带隙聚合物PBDTTT-C-T和富勒烯衍生物PC71BM共混形成的高效率三元有机太阳能电池。结果表明，小分子的加入能够显著将填充因子从二元器件的58.4％提高到三元器件的71.6％。在50％小分子比例的条件下，三元电池的效率达到8.58％，相比聚合物和小分子的二元电池7.60％和4.98％有明显的提高。小分子的高结晶性能够促进活性层自组装形成纳米纤维结构，同时聚合物能够抑制了小分子的过度聚集。小分子和聚合物协调作用形成相纯度相对更高的，由～88nm、～50nm和～20nm等大小的相组成的多级次相结构。这种多级次纳米结构能够改善器件电子和空穴的迁移率使电荷传输更为平衡、有效减少载流子的复合，从而提高器件的FF。 2.研究了PBDTTT-C-T、n-BDT-3T-CNCOO和ICBA共混形成的三元有机太阳能电池。由于ICBA较高的LUMO能级，基于ICBA的三元有机太阳能电池的开路电压为0.98V，比基于PCBM的三元体系高0.2V。基于ICBA体系的三元有机太阳能的效率低于PCBM的三元体系，最高效率的三元有机太阳能电池为5.51％，相对PBDTTT-C-T/ICBA的二元体系的5.01％的效率提高10％。短路电流和填充因子的提高是能量转化效率提高的主要原因。活性层形貌和结晶性的研究表明BDT-3T-CNCOO的加入在提高给体结晶性的同时，也改善了ICBA的聚集。从而提高了激子的分离效率、降低了载流子的复合、改善了电荷传输。 3.在研究三元有机太阳能的过程中，观察到基于共轭小分子在正向和反向器件的开路电压的区别。基于高效率小分子DR3TBDTT，设计了具有相同界面层的正向和反向器件，研究揭示了小分子在正向和反向器件的光伏性能的区别的原因。从DR3TBDTT:PC71BM的正向器件和反向器件的暗电流出发，研究其反向饱和电流、理想因子、光电流，这几个参数的共同作用导致了不同的开路电压。载流子复合机制的研究表明反向器件中的单分子和双分子复合更多，从而导致了填充因子和开路电压的下降。载流子迁移率的研究和深度剖析XPS表明活性层中PC71BM聚集在上表面，这种垂直相分离导致器件内建电场的变化，影响正向器件和反向器件中电荷产生、分离、传输和复合。