聚合物太阳能电池异质结设计及界面调控

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1、摘要IIIIIIIIUlIIIY2402582近年来，有机聚合物太阳能电池引起了人们的极大兴趣，由于低成本可溶液为基础的制备过程，以及在柔性基板上制造，提供了一个超过硅太阳能电池技术的显著优势前景。在众多的光敏给体／受体复合物中，聚合物．富勒烯即聚3．己基噻吩(P3HT)与【6，6】-苯基．C61-丁酸甲酯(PC61BM)的共混物被深入研究，然而，较低的效率还远远不能满足实际应用的要求。为了提高P3HT：PCBM为基底的太阳能电池能量转换效率(PCE)许多科学家已付出了很大的努力。液晶性基元具有很强的自组装功能，在一定的条件下能够诱导整个聚合物分子进行有序的排列，从

2、而调控整个活性层的微观形貌和异质结界面。在聚合物太阳能电池中，活性层与电极的界面以及活性层的表面形貌是影响聚合物太阳能电池效率的关键因素，通过一定的修饰材料优化接触界面以及调控上层活性层的形貌是提高器件性能的有效方法。本文利用一种简单的方法合成了一种新型的易溶性含有氰基液晶单元的富勒烯衍生物：氮甲基．2．[(4．(4，．氰基)联苯氧基)己氧基苯基]．3，4．富勒烯吡咯烷(C60-b邸N)。与富勒烯相比，C60-bp．CN有着较强的光捕获能力以及较低的LUMO能级(．4．2eV)，这是由于自组装较强的氰基偶氮苯分子间相互作用所引起的，特别是在液晶态热退火时更加明显。当

3、与聚噻吩共混以后，混合膜的光谱吸收红移到700nm，而且吸收强度明显增强。这些结果表明C60-bp．CN是一个有前景的受体材料。因此，我们制作了基于ITO／PEDOT：PSS／P3HT：C60-bp．CN／LiF／AI结构的太阳能电池，显然，所有器件的性能相对于P3HT／C60为活性层的器件有着显著增强。在所有经过热处理的器件中，经液晶态退火的器件获得了最佳的效率，短路电流达到了5．5mA／cm2，开路电压O．52V，填充因子为O．23，器件效率为0．65％，是没经热处理的三倍。此外，通过插入一层成本低、可溶液旋涂的掺杂三氧化钼的PEDOT：PSS阳极缓冲层，成功地

4、制备了基于P3HT：PC61BM为活性层材料的高效、稳定的聚合物体相异质结太阳能电池。在混合缓冲层中由M003形成的小的孤岛增加了活性层P3HT：PCBM与缓冲层之间的接触面积，并且有利于空穴的收集，同时阻挡了电子在阳极的收集，因此短路电流Jsc和填充因子FF的提高使得器件的能量转化从2．98％提高到3．94％。在阳极缓冲层中混入M003以后太阳能电池器件的稳摘要定性也得到了很大的提高。最后，本文提出了一种简单的方法用于提高P3HT：PC6lBM为活性层材料的体相异质结太阳能电池的效率。这种方法是在活性层P3HT：PCBM和缓冲层PEDOT：PSS之间旋涂一薄层高结

5、晶度的P3HT。这一薄层高度结晶性的P3HT选择了三种不同的有机溶剂：二氯甲烷(DCM)、邻二氯苯(D．DCB)和四氢呋喃(THE)。实验结果表明，四氢呋喃用于P3HT薄层的旋涂是一个比较合适的溶剂，它能够形成高结晶的膜，并且在旋涂活性层的过程中不容易被冲走，有很高的稳定性。活性层的形貌测试表明，活性层的形貌取决于P3HT缓冲层的形成。由于不同溶剂的缓冲层的结晶性不同导致了活性层的形貌有很大的差异。高度结晶的P3HT薄层能够提高活性层中P3HT的结晶度从而诱导整个活性层形成一个自组装通道便于电荷的有效转移和传输到达相应的电极，因此使得短路电流得到很大的提高。经过对P

6、3HT厚度的优化，器件效率从2．98％提高到5．14％，该效率是目前P3HT：PC6lBM为活性层太阳能电池的最高效率。关键词：有机太阳能电池；富勒烯衍生物；自组装；光电；界面修饰IIABSTRACTOrganicsolarcellsbasedonconjugatedpolymershavebeenofgreatinterestduetotheprospectoflow-cost，solution·basedprocessing，andfabricationonflexiblesubstrates，whichofferasignificantadvantageove

7、rsilicontechnology．Amongnumerousphotoactivedonor／acceptorcompos“es，theblendofpoly(3一hexylthiophene)(P3HT)withfullerenederivatives[6，6]．phenyl-C61-butyricacidmethylester(PC6lBM)hasbeenintensivelyinvestigatedinrecentyearsfororganicsolarcells．HoweveLtheefficiencyisinsufficienttomeetther