有機體異質結太陽能電池活性層形貌的調控.pdf

1、有機太陽能電池因為具有成本低、柔韌性好和溶液加工等優(yōu)勢在過去的幾十年中吸引了大量研究人員的關注。經過不懈的努力，目前有機太陽能電池的性能已經突破了12％。研究人員在長期的探索過程中已經意識到活性層形貌對于有機太陽能的性能有著至關重要的作用，然而如何獲得理想的活性層形貌還缺乏廣泛適用的原則?；钚詫有蚊驳膯栴}依舊是復雜難懂并且制約有機太陽能電池性能提升的關鍵因素。
　　本論文基于有機太陽能電池工作機理對體異質結結構活性層形貌的要求，研

2、究了活性層形貌的調控。圍繞活性層形貌調控涵蓋的四個方面：相區(qū)尺寸、給受體界面、雙連續(xù)互穿網絡和相區(qū)純度，我們首先研究了復雜三元體系的活性層形貌調控；然后研究了非富勒烯有機太陽能電池體系中取向的控制，提出了改變成核方式調控取向的新思路。主要內容如下：
　　1、在三元體系中，活性層形貌相對與兩元體系提出了更多要求，而且由于額外組分的引入形貌調控更加復雜。我們首先根據能量轉移機理構建了PTB7-Th:PF12TBT:PC71BM三元體系

3、，然后研究了 PTB7-Th:PF12TBT:PC71BM三元體系形貌的特殊性以及相對于 PTB7-Th:PC71BM的形貌變化。利用 Young氏方程計算得到潤濕系數判斷出PF12TBT傾向于在表面能的驅動下被包埋在大尺寸的PC71BM相中；通過AFM、TEM和穩(wěn)態(tài)PL光譜發(fā)現了第三組分的引入導致活性層中形成了大尺寸的PC71BM相區(qū)。我們依據Flory-Huggins相互作用參數構建了能進一步增加PTB7-Th溶液聚集程度的CB/P

4、X/DIO溶劑體系，從而完善了三元體系在液-固相分離階段形成的 PTB7-Th結晶網絡。更加完善的PTB7-Th結晶網絡限制了PC71BM相區(qū)在Ostwald熟化過程中的生長，抑制了大尺寸PC71BM相的形成。由于PC71BM相區(qū)尺寸的減小，PF12TBT與PTB7-Th間的距離減小，PF12TBT向 PTB7-Th的能量轉移效率提高。兩元體系器件、CB/DIO溶液加工的三元體系器件和 CB/PX/DIO溶液加工的三元體系器件的性能分別

5、為8.09%、8.56%和9.28%，我們的結果證明了三元體系形貌調控的重要性以及通過形貌優(yōu)化在三元體系的基礎上進一步突破有機太陽能電池性能記錄的可行性。
　　2、活性層中給受體分子的取向對于載流子遷移率和激子分離效率都有著重要的影響，然而目前共軛分子的取向機理還不明確，因此調控活性層中給受體分子取向的手段還很缺乏。在我們的工作中，提出了利用成核方式來調節(jié)共混體系中給受體分子取向的新思路。我們利用 p-DTS(PTTH2)2和 N

6、2200熔融溫度的差異，通過控制退火過程來實現共混體系中p-DTS(PTTH2)2的熔融和重新結晶。通過對溫度的控制可以實現p-DTS(PTTH2)2以不同的成核方式結晶，從而證明了當p-DTS(PTTH2)2在N2200表面異相成核結晶時將采取與N2200晶體一致的取向排列，而p-DTS(PTTH2)2均相成核形成的晶體將采取edge-on的取向排列。接下來我們通過調控兩組分在溶液中的聚集狀態(tài)改變其成核勢壘，實現了兩組分結晶先后順序的

7、改變。當 p-DTS(PTTH2)2先于 N2200結晶時，先析出的p-DTS(PTTH2)2晶體將誘導N2200異相成核，因此兩組分都采取edge-on取向。此外由于共混組分溶液加工過程中液-液相分離的發(fā)展，共混體系的組成也會對兩組分的取向產生顯著的影響。根據溶劑和共混比例對兩組分取向的影響，我們繪制了 p-DTS(PTTH2)2/N2200體系的相圖。我們的工作為調控活性層中給受體分子的取向提供了新的思路,提升了對共軛分子共混體系取