【摘 要】
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有机太阳能电池（OSCs）具有柔性好、质量轻、成本低、可大面积加工、光学带隙和能级可调等优点,引起了研究人员的广泛关注。然而由于有机材料吸收窗较窄,导致二元OSCs中有源层对光子的吸收大大受限。将吸收光谱互补的第三组分引入二元OSCs中,制备三元OSCs可有效克服这一问题。三元器件既具有叠层器件光子俘获能力较强的优势,也具有二元器件制作过程简便的特点。本文的最终目的是制备出高效率三元有机光伏器件,
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目（62175011）项目名称:高效率半透明有机光伏器件及关键科学问题研究； 国家自然科学基金面上项目（62075155）项目名称:基于三元/多元有源层策略协同增强有机光伏器件光电转换效率与稳定性的研究；
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有机太阳能电池（OSCs）具有柔性好、质量轻、成本低、可大面积加工、光学带隙和能级可调等优点,引起了研究人员的广泛关注。然而由于有机材料吸收窗较窄,导致二元OSCs中有源层对光子的吸收大大受限。将吸收光谱互补的第三组分引入二元OSCs中,制备三元OSCs可有效克服这一问题。三元器件既具有叠层器件光子俘获能力较强的优势,也具有二元器件制作过程简便的特点。本文的最终目的是制备出高效率三元有机光伏器件,通过甄选材料和优化形貌,重点探究了第三组分对有源层在光子俘获、激子解离、载流子输运和收集等方面的作用,研究了器件性能提升的内在原因和器件的潜在工作机制。主要研究内容如下:（1）基于PM6:Y6-1O:N3三元体系制备OSCs,器件中存在电荷转移和合金模型双工作机制。提出利用纯受体器件和光致发光（PL）光谱澄清电荷转移机制,利用电化学循环伏安法（CV）澄清合金模型机制。PM6、Y6-1O和N3三种材料吸收光谱互补、能级级联且具有较小的能级差。在PM6:Y6-1O二元体系中引入窄带隙Y6衍生物N3,有源层的光子俘获能力在300-800 nm范围内增强,器件的光电转换效率（PCE）从16.14%提升到17.32%。电化学阻抗谱（EIS）和瞬态光电压（TPV）表征表明N3的掺入抑制了有源层内的电荷复合,增强了电荷传输,同时延长了载流子的寿命,这与三元OSCs具有最高的填充因子（FF）相符。（2）甄选兼容性良好的两种Y6衍生物BTP-BO-4F和Y6-1O,同时考虑器件光伏参数互补特性设计双受体OSCs,并成功制备了基于PM6:BTP-BO-4F:Y6-1O的三元OSCs。分别基于BTP-BO-4F和Y6-1O受体制备二元OSCs,器件的短路电流密度(JSC)和开路电压(VOC)参数互补,并且FF均大于76%,这表明利用三元策略有望协同优化器件的主要性能参数。在制备的三元OSCs中,兼容性良好的BTP-BO-4F和Y6-1O形成了合金受体,器件的PCE达到17.59%。为了进一步了解有源层光子俘获受第三组分的影响,设计了ITO/PEDOT:PSS/PMMA/PDIN/Al型结构器件用于研究入射光与Al电极反射光干涉效应对器件性能的影响,更真实地展现出有源层对光子的吸收情况。该工作表明甄选材料结合三元策略有利于制备高性能器件,同时还指出第三组分作为形貌调节剂可以优化相分离,平衡激子解离和电荷传输。本论文共有图31幅,表6个,参考文献91篇。
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