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表面活性剂包覆多金属氧簇复合物作为阴极界面层在反式聚合物太阳能电池中的应用及机理的研究

表面活性剂包覆多金属氧簇复合物作为阴极界面层在反式聚合物太阳...

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作者：张宏伟吉林大学

学位级别：硕士

聚合物太阳能电池因具有质量轻、材料来源广泛、成本低廉、工艺简单、可实现柔性器件、可溶液加工及卷对卷大规模印刷制备等诸多优点备受人们关注。在本论文中我们首先使用四种表面活性剂包覆多金属氧簇复合物(SEPCs)作为阴极界面层(CI... 详细信息

聚合物太阳能电池因具有质量轻、材料来源广泛、成本低廉、工艺简单、可实现柔性器件、可溶液加工及卷对卷大规模印刷制备等诸多优点备受人们关注。在本论文中我们首先使用四种表面活性剂包覆多金属氧簇复合物(SEPCs)作为阴极界面层(CILs)来提升反式聚合物太阳能电池(i-PSCs)的器件性能,然后从中优化出了最佳的CIL并对其工作机理进行了研究。在第二章我们分别将SiW-12([(CH)N][SiWO])、SiW-11(K[(CH)N][SiWO])、PW-12([(CH)N][PWO])、PW-11(K[(CH)N][PWO])作为CILs应用于活性层为PTB7:PCBM的i-PSCs中。结果这四种SEPCs作为CIL的i-PSC的器件性能均优于无CIL的器件,它们的能量转换效率(PCE)分别是5.44%(SiW-12),6.38%(SiW-11),5.85%(PW-12)和8%(PW-11)。其中含有PW-11的i-PSC的PCE甚至高于以ZnO为CIL的器件效率(PCE=7.4%)。电容-电压(C-V)特性及光电流密度-有效电压特性表征和载流子迁移率测量显示PW-11作为CIL的i-PSC具有更高的内建电压和载流子浓度,更好的电荷抽取能力,以及更高的电子迁移率。水接触角测量和原子力显微镜(AFM)图像呈现相比于其它SEPCs,PW-11在ITO上形成膜的表面疏水性更强,表面粗糙度更小,所以和活性层有更好的界面接触。紫外光电子能谱(UPS)结果表明在ITO和活性层之间引入PW-11可以将电子从PCBM到ITO的抽取势垒从0.49 eV降至0.15 eV,远低于引入其它SEPCs,甚至也低于ZnO作为CIL的电子抽取势垒(0.18 eV)。并且含有PW-11的i-PSCs器件稳定性也略优于含有ZnO的器件。以上结果表明作为i-PSCs的CILs,PW-11的性能明显优于其它SEPCs,是一种有希望取代ZnO的CIL材料。在第三章我们将PW-11作为CIL应用于非富勒烯i-PSCs中。在PBDB-T:ITIC为活性层的i-PSCs中,加入PW-11能明显提升器件PCE。经过5分钟紫外(UV)光照后含有PW-11的器件PCE可达9.44%。而ZnO为CILs的器件PCE为9.91%。这主要是因为含有PW-11器件的开路电压(V)和填充因子(FF)低于含有ZnO器件的V和FF。C-V特性曲线测量得到的PW-11器件的内建电势也低于含有ZnO器件的内建电势。为了解释这一现象我们用UPS研究了退火对ITO/PW-11功函数和ITO/PW-11/ITIC界面电子抽取势垒的影响。结果表明退火使ITO/PW-11功函数从4.02 eV升高到了4.2 eV,ITO/PW-11/ITIC界面电子抽取势垒从0.16eV升高到了0.20 eV。而在ITO/ZnO/ITIC界面,电子抽取势垒为0.17 eV。所以在器件制备中非富勒烯活性层的退火处理破环了PW-11在ITO上的自组装,从而导致ITO/PW-11/ITIC界面的接触变差。暗态电流密度-电压曲线、光电流密度-有效电压曲线、载流子迁移率测量也证明因为活性层的退火处理含有PW-11的i-PSCs的电荷抽取能力及电子迁移率均略低于含ZnO的器件。在第四章我们用UPS和X射线光电子能谱(XPS)研究了PW-11作为CILs在i-PSCs中的工作机理。我们发现UV光照处理能够降低ITO及ITO/PW-11的功函数。XPS数据给予的解释是UV光照能够有效的降低ITO及ITO/PW-11中ITO的氧缺陷。从UPS和XPS结果我们得出的结论是PW-11在ITO表面采取的自组装方式是分子中的有机部分远离ITO表面,而无机部分则化学吸附在ITO上。UV光照和有机活性层的引入进一步强化了这种排列方式。CIL在阴极界面的这样一种自组装方式和界面偶极方向是非常有利于电子抽取和获得高V的。

关键词：反式聚合物太阳能电池阴极界面层表面活性剂包覆多金属氧簇复合物光电子能谱

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表面活性剂包覆多金属氧簇复合物在聚合物太阳电池中的应用

表面活性剂包覆多金属氧簇复合物在聚合物太阳电池中的应用

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中国化学会第七届全国多酸化学学术研讨会

作者：李枫红吴立新吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室

聚合物太阳电池(PSCs)因质量轻、柔性、成本低、可大面积卷对卷生产等优势被广泛研究。目前通过新材料合成、界面修饰、活性层形貌调控和器件结构优化PSCs的能量转换效率(PCE)已达到了17.3%,让人们看到了此技术工业化的曙光。因为界面... 详细信息

聚合物太阳电池(PSCs)因质量轻、柔性、成本低、可大面积卷对卷生产等优势被广泛研究。目前通过新材料合成、界面修饰、活性层形貌调控和器件结构优化PSCs的能量转换效率(PCE)已达到了17.3%,让人们看到了此技术工业化的曙光。因为界面层对器件性能提升起到了至关重要的作用,所以发展新型的阴极界面材料已成为PSCs领域的研究热点之一。近期我们发展了一系列表面活性剂包覆多金属氧簇复合物(SEPCs)即{[CH(CH)]N}[SiWO](n=2,4,8,10),并把它们作为阴极界面层成功地应用到了PSCs中。在此工作中我们系统地研究了SEPCs中的烷基链长度对PSCs性能的影响以及SEPCs作为阴极界面层的作用机理。结果表明当n=8时,PCE达到了最大值。在PTB7:PCBM为活性层的PSCs中,当{[CH(CH)]N}[SiWO]为阴极界面层时PCE可达9.15%。若把活性层换成PTB7-Th:PCBM,PCE可被进一步提升到10%以上。它们都是含有这些活性层的PSCs所能达到的PCE的最高值。这说明价格低廉环境友好的SEPCs是一类非常有竞争力的适用于PSCs大面积卷对卷生产的绿色阴极界面材料。

关键词：聚合物太阳电池表面活性剂包覆多金属氧簇复合物阴极界面层

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有机太阳电池阴极界面工程及机理研究

有机太阳电池阴极界面工程及机理研究

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作者：邱静吉林大学

学位级别：硕士

有机太阳电池(OSCs)由于具有制备成本低、可溶液加工、质轻、柔性、可实现卷对卷大面积生产等优势而引起了广泛关注。随着研究的不断深入,OSCs性能不断提升,器件的功率转换效率(PCE)不断被刷新。到目前为止,单节OSCs的PCE已经超过了15%... 详细信息

有机太阳电池(OSCs)由于具有制备成本低、可溶液加工、质轻、柔性、可实现卷对卷大面积生产等优势而引起了广泛关注。随着研究的不断深入,OSCs性能不断提升,器件的功率转换效率(PCE)不断被刷新。到目前为止,单节OSCs的PCE已经超过了15%,器件效率不断提高主要归因于新活性层材料的合成,器件结构的优化,活性层形貌的调控以及电极界面的修饰。在活性层和电极之间引入电极界面层的目的主要是降低载流子的抽取势垒,改善活性层和电极的接触,从而在电极界面处实现欧姆接触,是提高器件性能的一种有效手段。本论文将围绕OSCs阴极界面层(CIL)开展研究。分别研究反式OSC中碱金属氟化物(AMF)作为氧化锌(ZnO)掺杂剂的应用及作用机理和表面活性剂包覆多金属氧簇复合物(SEPC)作为CIL在正式OSC的应用及其作用机理。本论文主要阐述了以下内容:第一章中,绪论部分除简述了OSCs的发展历史、研究进展、基本工作原理和分类、也描述了器件的制备流程和表征OSC性能的参数。最后重点阐述了阴、阳极界面材料的种类和发展。第二章中,系统研究了碱金属氟化物(AMFs)作为ZnO的掺杂剂提高反式OSCs器件性能的作用机理。使用AMFs掺杂ZnO可以有效地提高器件的载流子抽取能力,电子迁移率,电子浓度和内建电场。结果以NaF、KF、CsF掺杂ZnO为CIL的基于PTB7:PCBM的OSCs的PCE分别达到了8.64%,8.39%,8.28%。X射线光电子能谱(XPS)结果呈现AMFs的引入减少了ZnO表面的氧缺陷态。扫描电子显微镜-能量色散谱(SEM-EDS mapping)图和XPS深度剖析结果表明ZnO:NaF表面的钠离子数量明显高于ZnO:KF表面的钾离子数量及ZnO:CsF表面的铯离子数量,因此钠离子有更多的机会接触到ZnO表面的缺陷。所以含有ZnO:NaF的器件呈现了最高的器件性能。第三章中,利用一种新型的具有取代基团的SEPC,即[(CH)N][PWVO]作为CIL制备了一系列富勒烯(FA)和非富勒烯(NFA)体系的OSCs,以PTB7-Th:PCBM为活性层的OSCs的PCE可以达到9.67%,PBDB-T:ITIC为活性层的OSCs的最大PCE可以达到10.67%,这说明TAPW-V是一种既适用于FA体系,又适用于NFA体系的高效的通用CIL材料。另外,载流子迁移率测量和电容-电压特性曲线表征结果表明在OSCs中引入TAPW-V做CIL可以有效的提高载流子迁移率,载流子密度和内建电场等。通过紫外光电子能谱(UPS)表征,我们发现TAPW-V不但降低了铝的功函数,又被铝进行了n型掺杂,这有利于增加电子的密度和电子的抽出,从而进一步提高OSCs的性能。

关键词：有机太阳能电池阴极界面层氧化锌表面活性剂包覆多金属氧簇复合物光电子能谱

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