【摘 要】
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空穴传输材料能有效修饰电极,提高有机太阳电池的转换效率和器件的稳定性。水分散性掺杂态自由基聚合物PEDOT:PSS-4083作为现今应用最广泛的空穴传输材料之一,具有成膜性好、透光率高、易于加工等优点。然而,几个关键的因素也限制了PEDOT:PSS的发展。PEDOT:PSS中含有过量不导电的PSS大分子,存在一定的磺酸基团未与PEDOT进行掺杂,致使其功函数较单一、电导率相对较低且导电均匀性较差。
【基金项目】
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国家自然科学基金（51973063）; 广州市珠江科技新星项目（201710010194）
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空穴传输材料能有效修饰电极,提高有机太阳电池的转换效率和器件的稳定性。水分散性掺杂态自由基聚合物PEDOT:PSS-4083作为现今应用最广泛的空穴传输材料之一,具有成膜性好、透光率高、易于加工等优点。然而,几个关键的因素也限制了PEDOT:PSS的发展。PEDOT:PSS中含有过量不导电的PSS大分子,存在一定的磺酸基团未与PEDOT进行掺杂,致使其功函数较单一、电导率相对较低且导电均匀性较差。本论文从磺酸基团入手,将微量盐酸多巴胺（DA）直接掺入PEDOT:PSS溶液中制备了PEDOT:PSS-DA。通过核磁共振、电子顺磁共振等一系列表征手段证实DA中的氨基可以与PSS中的磺酸基团发生离子交换反应。此外,DA中的邻苯二酚基团易形成半醌自由基,利于PEDOT主链和半醌自由基之间的分子内电荷转移,有助于功函数和电导率的提高。在PM6:Y6体系中,将PEDOT:PSS-DA作为空穴传输材料（HTM）时,获得了16.55%的能量转换效率（PCE）,相比于未修饰的PEDOT:PSS明显提升。更为重要的是,在其他给体/受体体系中均表现出明显地提升器件短路电流/填充因子和能量转换效率的效果。为了进一步比较羟基个数对掺杂的影响,同时也验证氨基基团掺杂的有效性,我们新引入4-羟基苯乙胺、苯乙胺盐酸盐掺杂PEDOT:PSS,分别制备得到PEDOT:PSS-TA与PEDOT:PSS-PA。与原始PEDOT:PSS相比,三种由苯乙胺衍生物掺杂所得HTMs的功函数和电导率均提高、表面性质均发生改变,其中,电导率提高幅度随着羟基个数的增加而增加,功函数值随羟基个数增加而降低。基于三种掺杂HTM的器件分别在不同体系中实现了各自的最佳能量转换效率且均高于参比PEDOT:PSS基器件,其中PEDOT:PSS-TA在PM6:Y6体系获得了最佳17.10%的PCE;PEDOT:PSS-DA在PM6:ITC-2Cl体系获得了最佳14.17%的PCE;PEDOT:PSS-PA在PM6:PIDTC-T体系获得最佳9.55%的PCE。本论文提供了一种使用氨基小分子来改性PEDOT:PSS的简易方案。针对PEDOT:PSS中闲置的磺酸根基团,使用含有氨基的小分子掺杂,可同时对PEDOT:PSS的电导率、功函数、表面性质等作调控,进而起到有效提升有机太阳电池效率的作用;此项工作同时也表明不同的活性层体系适配于不同性质的空穴传输材料。
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