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物理化学学报 2017年第10期33卷 1934-1943页

作者：刘继翀唐峰叶枫叶陈琪陈立桅中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所国际实验室中国科学院纳米科学卓越中心江苏苏州215123 中国科学院大学北京100049 中国科学技术大学化学系合肥230026

薄膜光电器件的能级结构直接决定了载流子的产生、分离、传输、复合和收集等微观动力学过程,从而决定了器件性能。因此准确获取器件能级结构,是深入理解器件工作机制、推动器件技术革新的重要科学依据。此专论系统地介绍了本课题组利用... 详细信息

薄膜光电器件的能级结构直接决定了载流子的产生、分离、传输、复合和收集等微观动力学过程,从而决定了器件性能。因此准确获取器件能级结构,是深入理解器件工作机制、推动器件技术革新的重要科学依据。此专论系统地介绍了本课题组利用扫描开尔文探针显微镜(SKPM)表征薄膜光电器件如有机太阳能电池、有机-无机钙钛矿光探测器等器件中界面能级结构的工作。垂直型薄膜器件中的活性材料层被顶电极与底电极封闭,通常难以直接在器件工况下测量其中的界面能级排布,我们发展了横截面SKPM技术来解决这一难题。研究表明,界面层是调控器件能级结构、决定器件极性、提高器件性能的重要手段。本文介绍的表征技术有望在各种薄膜光电器件,诸如光伏器件、光探测器、发光二极管,尤其是各种叠层构型器件的研究中展现出广阔的应用前景。

关键词：扫描开尔文探针显微镜能级排布横截面界面层有机太阳能电池有机-无机钙钛矿光探测器

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非富勒烯有机太阳能电池能级排布研究

非富勒烯有机太阳能电池能级排布研究

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作者：罗惠康中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)

学位级别：硕士

太阳能电池是一种可以吸收太阳光转化成电能的功能器件,因而受到广泛的关注及研究,在传统能源储量日益减少的背景下,太阳能电池有望在将来可以有效的缓解能源危机。近十几年来,有机太阳能电池因其低成本,柔性,可卷对卷大面积生产以及材... 详细信息

太阳能电池是一种可以吸收太阳光转化成电能的功能器件,因而受到广泛的关注及研究,在传统能源储量日益减少的背景下,太阳能电池有望在将来可以有效的缓解能源危机。近十几年来,有机太阳能电池因其低成本,柔性,可卷对卷大面积生产以及材料容易合成的优点一直受到广大科研工作者的青睐。尤其是近几年,一种小分子受体,俗称非富勒烯受体,搭配共轭聚合物给体构成的太阳能电池,器件效率提升地十分迅速,目前单节太阳能电池的效率已经达到13.1%,比富勒烯受体搭配聚合物给体的最好的效率值还要高。并且,由于非富勒烯受体的分子能级可以调整,未来有望继续刷新器件的效率值。界面处能级排布对器件性能起着至关重要的作用,因为有很多研究都表明,给体的最高占据分子轨道(HOMO)和受体的最低未占据分子轨道(LUMO)之间的差值(E)决定了开路电压(V)的上限值。但是,我们必须意识到,传统的能级排布忽略了界面能的存在,而界面能的存在往往会对界面处能级排布产生影响,所以,准确地表征界面处的能级排布对于理解器件工作中的物理过程是必不可缺的。在本论文的研究中,我们选取了几种常见的活性层材料,包括常见的三种聚合物给体:PBDB-T,PTB7,P3HT。并且选择了非富勒烯受体ITIC与传统的富勒烯受体PCBM进行对比,搭配这三种聚合物制备了平面型器件,并且制备了体异质结器件对比其开路电压。由于体异质结太阳能电池中无序的能量会导致开路电压(V)的减小,所以,我们选取平面型器件的V值作为参考,用以研究开路电压与能级排布之间的联系。对于这几在种活性层材料,我们首先应该掌握它们分立的能级排布,结合紫外光电子能谱(UPS)和紫外光吸收谱法我们可以实现这一目标。接着我们采用一种正交溶剂的方法制备出给/受体的界面,分别将给体材料和受体材料溶于邻二氯苯和二氯甲烷中,由于相似相溶原理,邻二氯苯和二氯甲烷不会相互溶解,所以,通过旋涂的上层界面不会破坏下层界面的形貌,进而可以得到良好的平面型界面。借助扫描开尔文探针显微镜(SKPM)得到活性层材料接触后界面处的能级排布,由此得到准确的能级带隙值E,与得到的平面异质结电池的开路电压进行对比,得到两者的一个实际关系值,即qV=E-0.52(±0.05)eV,这个关系式的获得有助于我们更深入地理解器件工作过程中的机制,从而为器件效率的提升提供方向。

关键词：非富勒烯有机太阳能电池界面能级排布开路电压紫外光电子能谱扫描开尔文探针显微镜

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有机光伏器件中的界面能级排布

有机光伏器件中的界面能级排布

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中国化学会第30届学术年会-第二十二分会：有机光伏的机遇和挑战

作者：陈琪蔡金华李耀文陈立桅 i-Lab中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所苏州大学材料与化学学院

有机光伏器件是由电极、活性层、界面修饰层等材料组成的多层薄膜器件。器件法向方向的能级排布,尤其是不同材料界面处的能级排布是决定电荷分离、输运、复合和收集等基础过程的关键因素。材料相互接触过程中可能存在各种物理与化学的作... 详细信息

有机光伏器件是由电极、活性层、界面修饰层等材料组成的多层薄膜器件。器件法向方向的能级排布,尤其是不同材料界面处的能级排布是决定电荷分离、输运、复合和收集等基础过程的关键因素。材料相互接触过程中可能存在各种物理与化学的作用,复杂的界面过程引起能带弯曲和费米能级钉扎等现象,使得界面处的能级排布严重偏离费米能级拉平或真空能级拉平的理想模型,无法用普通的表征手段测量。连理论计算也难以处理复杂的混合体系与界面问题。因此,准确表征器件内部的界面能级排布,是整个领域多年来悬而未决的一个难题。本文将报告利用离子束轰击制样得到平整的有机光伏器件横截面,然后在器件工作状态下利用扫描开尔文探针技术测量横截面的表面电势分布,获得器件内部真空能级排布的信息。不同材料、工作状态、以及器件结构下的测量表明器件内部界面能级排布和内建电势(场)是由活性层材料、电极以及界面态共同决定的。

关键词：有机光伏扫描开尔文探针能级排布界面

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关于有机-量子点异质界面的载流子迁移机理的研究

关于有机-量子点异质界面的载流子迁移机理的研究

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作者：沈琦苏州大学

学位级别：硕士

基于胶体量子点(QDs)的光二极管在显示、光伏、光探测、通讯等领域有较好的应用前景。空穴传输有机半导体和量子点之间的异质界面(OQH)是此类器件普遍使用的构建模块,直接决定了载流子的注入速率或收集效率。然而,缺乏合理描述OQH载流... 详细信息

基于胶体量子点(QDs)的光二极管在显示、光伏、光探测、通讯等领域有较好的应用前景。空穴传输有机半导体和量子点之间的异质界面(OQH)是此类器件普遍使用的构建模块,直接决定了载流子的注入速率或收集效率。然而,缺乏合理描述OQH载流子注入的理论是领域内面临的主要挑战之一。本论文通过引入无序半导体的关键属性—电子态局域性和无序性,分别构建了与实验结果契合的OQH静电学模型和注入动力学模型,合理解释了一些在器件层面极具争议的现象,为开发高性能的量子点光电子器件提供了新的理论支持。主要内容如下:(1)构建了描述OQH能级排布规律的静电学模型。为了揭示OQH界面的能级排布规律,提出了基于局域态假设的静电学迭代模型,在模拟计算的同时对结果进行了实验验证。模型不仅再现了电极-有机层的费米能钉扎效应,还揭示了有机-量子点界面存在显著的量子点层内的真空能级变化与能级弯曲。同时,紫外光电子能谱对材料电子能级的测试结果与模拟计算结果保持一致。以上结果证明了在过去的研究中所忽略的材料的能级无序度能够通过电荷转移使得OQH处的价带边能极差显著降低。以上结果对于正确认识热平衡下OQH的静电学规律有指导意义。(2)构建了描述OQH载流子注入动力学规律的跳跃传输模型。为了解决能带传输理论难以描述OQH的问题,提出了基于无序半导体态密度(DOS)分布的注入动力学模型,并对模拟计算结果进行了实验验证。计算得到了与传统假设截然不同的载流子注入物理图像,使等效注入势垒高度降低高达0.5 eV。此外,还展现了DOS分布宽度对注入速率的影响。理论计算结果与实验测得的OQH器件的伏安特性曲线高度一致。以上结果证明了该注入模型可以描述OQH注入规律,也解释了器件层面多个争议性现象,对器件研究有指导意义。

关键词：量子点异质界面无序性能级排布载流子注入

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叠层有机电致发光器件中过渡金属氧化物内部连接层的界面电子结构研究

叠层有机电致发光器件中过渡金属氧化物内部连接层的界面电子结构...

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作者：保秦烨苏州大学

学位级别：硕士

近年来,叠层有机电致发光器件以其优异的电流效率、发光亮度和工作寿命越来越受到学术界和产业界的关注。在叠层有机电致发光器件中,多个发光单元通过内部连接层串联,在一定的外界电场作用下,内部连接层产生电子和空穴,并注入到邻近的... 详细信息

近年来,叠层有机电致发光器件以其优异的电流效率、发光亮度和工作寿命越来越受到学术界和产业界的关注。在叠层有机电致发光器件中,多个发光单元通过内部连接层串联,在一定的外界电场作用下,内部连接层产生电子和空穴,并注入到邻近的发光单元,分别与反方向注入的空穴和电子复合、发光,因此选择、设计、制备合适的内部连接层是提高叠层器件性能的关键。在内部连接层所用的材料中,过渡金属氧化物由于功函数高,光透过性强和稳定性好等优势,被广泛使用在叠层器件的内部连接层中。本论文主要通过光电子能谱(XPS和UPS)获得基于过渡金属氧化物WO和MoO内部连接层的界面电子结构和能级排布,研究其工作机理,并进一步探讨了连接层结构和材料对器件性能的影响。具体内容如下: (1)首先我们利用光电子能谱表征了基于WO内部连接层界面电子结构,即(a)NPB/WO/Mg:Alq,(b)NPB/WO/Alq,(c)NPB/Mg:Alq和(d)NPB/Alq。通过比较各个连接层的能级排布及相应叠层器件性能,研究其工作机理,分析WO和Mg:Alq在内部连接层中的作用。 (2)以MoO代替WO,研究内部连接层(a)NPB/MoO/Mg:Bphen/Bphen, (b)NPB/MoO/Bphen, (c)NPB/Mg:Bphen和(d)NPB/Bphen界面电子结构和能级排布,验证基于MoO的内部连接层是否具有与WO相同的载流子产生和注入机理,并进一步以Alq代替Bphen讨论电子传输材料(ETM)对内部连接层界面电子结构和能级排布的影响。 (3)在n型掺杂/过渡金属氧化物结构内部连接层基础上,讨论了双掺杂内部连接层MoO:NPB/CsCO:Bphen和MoO:NPB/MoO/CsCO:Bphen的界面电子结构,并进一步研究其工作机理。 (4)通过分析基于过渡金属氧化物倒置器件的IV特性和双绝缘层器件的电容特性,结合能级排布,研究其工作机理,提出模型。最后我们还初步探讨了过渡金属氧化物在叠层太阳能电池中间电极中的应用。

关键词：过渡金属氧化物内部连接层叠层有机电致发光器件能级排布

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