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有机太阳电池活性层形貌的垂直相分离调控及其光伏性能的研究

有机太阳电池活性层形貌的垂直相分离调控及其光伏性能的研究

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作者：王新康南昌大学

学位级别：硕士

有机太阳电池(OSCs)由于其质量轻、成本低、可柔性加工等优点而受到广泛关注。目前制备有机太阳电池活性层的工艺技术分为两大类:(1)一步沉积法,(2)顺序沉积法(SD)。本体异质结(BHJ)OSCs的活性层是通过一步沉积共混溶液(给体材料和受体... 详细信息

有机太阳电池(OSCs)由于其质量轻、成本低、可柔性加工等优点而受到广泛关注。目前制备有机太阳电池活性层的工艺技术分为两大类:(1)一步沉积法,(2)顺序沉积法(SD)。本体异质结(BHJ)OSCs的活性层是通过一步沉积共混溶液(给体材料和受体材料混合物)制备的。由于新型光伏、界面材料和器件结构的发展,到目前为止单节BHJ器件的功率转换效率(PCE)已经突破了18%。BHJ的活性层形貌直接影响着激子分离和电荷传输的过程,是决定器件性能的关键性因素;然而,在制备大面积器件时,其形貌演变较为复杂。因此,控制BHJ活性层的形貌仍然是有机太阳电池实现商业化的一项重大挑战。相较于BHJ,通过SD制备的准平面异质结(PPHJ)OSCs,减少了给体和受体材料相互作用的复杂性,更有利于形成具有良好垂直相分离的活性层形貌,更有利于今后大面积器件的制备,同时相较于BHJ器件具有更好的稳定性。因此,PPHJ OSCs有潜力成为今后的发展热点。我们首先研究了经典的PM6:Y6体系,通过采用双添加剂策略,分别调控给体PM6和受体Y6的薄膜形貌。经测试结果分析发现,固体添加剂1,10-葵二醇(DDO)的加入提高了PM6薄膜的结晶度;溶剂添加剂1-氯萘(CN)的加入诱导了Y6的分子结晶,使得Y6分子取向更加有序;通过SD制备的PM6+DDO/Y6+CN OSC器件获得了优异的PCE(16.9%)。此外,动态X射线光电子能谱(DXPS)和紫外-可见光吸收(UV-vis)测试表明,PM6结晶度的提升,有效地减少了在SD过程当中上层溶剂对下层薄膜的冲刷,同时抑制了受体过度渗透到给体薄膜当中。因此在PM6+DDO/Y6+CN的活性层薄膜当中,Y6更趋向在活性层表面聚集,而PM6趋向在活性层底部聚集,形成了具有良好垂直相分离的活性层形貌,提高了激子分离效率和电荷的传输性能。该工作通过合适的添加剂策略,即使当使用同种溶剂氯仿(CF)作为加工处理溶剂时,在SD加工过程中,仍然可以制备出具有良好垂直相分离的活性层形貌,获得较为优越的器件性能。因此,合适的添加剂策略有助于准平面异质结结构的构筑,从而进一步提升有机太阳电池的效率。此外,我们结合旋涂的经验,还将SD方法应用到刮涂工艺中。基于PM6:BTP-e C9体系,通过非卤溶剂甲苯(TL)加工制备出了高效大面积光伏器件。通过基底温度(ST)调控的策略,精确地控制了小面积器件当中活性层形貌分布的问题。在ST为60℃时构筑了具有垂直相分离形貌的PPHJ器件结构,刮涂(BC)制备的小面积器件获得了16.84%的PCE。其次通过选择合适的ST,控制了活性层薄膜成膜动力学的过程,精确调控材料的聚集行为。结果表明,抑制材料过度聚集有效地提高了大面积薄膜均匀性,使光伏损耗由小面积(0.04 cm)的69.45%降低到大面积(2 cm)器件的8.4%。制备具有良好垂直相分离的活性层形貌是提升器件性能的一个关键因素,开发和设计一种利于大面积生产的器件结构和印刷技术对于今后商业化的发展具有重大的意义。

关键词：有机太阳电池双添加剂基底温度顺序沉积准平面异质结垂直相分离

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