有机太阳能电池的阴极界面自组装以及光稳定性研究

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有机太阳能电池在过去几年中的迅猛发展得益于新型非富勒烯受体材料的不断发展,目前器件效率最高的已经突破了16%,效率的突破也为有机太阳能在未来的应用铺平了道路。而要实现真正商业化离不开大面积加工的技术问题以及光稳定性的问题。因此,本文的两个主要的工作分别是围绕着这两个问题而展开的。首先,为了简化传统倒装器件结构加工步骤,我们在活性层溶液中加入阴极界面材料n型聚合物PF3N-2TNDI,在电极衬底氧化铟锡(ITO)上直接旋涂这种共混溶液,制备出来的器件性能可以比拟使用氧化锌做电子传输层的器件。基于PTB7-Th:PC71BM体系,通过该策略制备的器件的最优的效率可以达到8.83%。我们通过对界面材料以及给受体的表面能进行测试,发现界面材料的表面能是大于给受体的,这表明界面材料和ITO的作用强于给受体与ITO的作用,因此在旋涂过程中界面材料会在ITO侧形成了一层电子传输层,从而达到简化加工工艺的目标。通过XPS测试,也验证了我们的推测。这个工作可以简化加工工艺,避免了一些不能做厚的界面难以在大面积中应用,为未来OPV的卷对卷加工提供了一些解决思路。然后,为了解决目前非富勒烯体系的有机太阳能电池光照稳定性比较差的问题,我们预想通过提高活性层薄膜形貌的光照稳定性来提高整个器件的光照稳定性。首先,我们通过在氧化锌界面上自组装形成一层C60-SAM来修饰氧化锌,一方面可以钝化氧化锌的表面缺陷;另一方面可以改变和活性层接触的衬底的表面能来调控活性层的形貌。通过光照稳定性测试可以发现经过修饰后的器件光照稳定性是明显得到了提升,通过GIWAXS测试可以看到在C60-SAM衬底上沉积的薄膜的结晶是弱于氧化锌衬底的,同时也更加接近老化后薄膜的较弱的结晶情况,从而达到了稳定活性层形貌以及器件性能的目的。为此,我们考虑结晶的弱化是否能够进一步提升器件的光照稳定性,我们测试发现绿色溶剂邻二甲苯加工的薄膜的结晶弱于氯苯的,于是我们将邻二甲苯溶剂加工和C60-SAM界面修饰相结合制备出的薄膜的结晶在几个加工条件中是最弱的,在光照稳定性测试之下,我们可以看到器件的光照稳定性大幅度提升,通过对器件2000个小时的测试曲线进行拟合,可以得到T80数值为33930 h。通过这个工作我们知道溶剂选择以及界面修饰可以通过影响有机薄膜的形貌来提高器件的光稳定性,不仅为我们提高器件的光稳定性提供了新的思路,同时为未来OPV的产业化奠定了基础。
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