【摘 要】
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近年来,有机光伏电池（OPVs）在材料设计、器件工程及器件物理等方面都取得了快速的发展,同时也凭借灵活性、透明性、加工性等特点开发出了各种功能的应用。本论文选取了包括单体MY1、寡聚物OY2、OY3、OY4和聚合物PY-5的Y系列受体材料,围绕有机光伏器件的两种常规结构即本体异质结（BHJ）结构和双层（LBL）结构展开,分别探究了室外应用、室内应用及光电探测应用。从器件性能优化、载流子动力学行为分
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近年来,有机光伏电池（OPVs）在材料设计、器件工程及器件物理等方面都取得了快速的发展,同时也凭借灵活性、透明性、加工性等特点开发出了各种功能的应用。本论文选取了包括单体MY1、寡聚物OY2、OY3、OY4和聚合物PY-5的Y系列受体材料,围绕有机光伏器件的两种常规结构即本体异质结（BHJ）结构和双层（LBL）结构展开,分别探究了室外应用、室内应用及光电探测应用。从器件性能优化、载流子动力学行为分析和形貌表征测试等方面入手,开展了一系列的研究工作。第一部分工作主要研究了基于Y系列受体不同器件的室外光伏性能。相比BHJ器件,LBL器件具有更强的吸收、EQE响应、更低的暗电流密度和更优异的光伏性能。BHJ器件的共混活性层可以扩大给/受体界面,具有较高的激子产生率和载流子迁移率。LBL器件的双层活性层则有利于激子和电荷在垂直方向上传输,具有较高的激子解离率和电荷抽取率,同时也使载流子的传输平衡性和复合情况得到改善。此外,单体MY1和聚合物PY-5分别由于过度聚集和分子链缠结的问题导致BHJ器件性能偏低,而双层活性层可以避免给/受体相的负面影响延伸到另一相区,对应的LBL器件的能量转化效率（PCE）提高了1%。总体而言,LBL器件更能发挥材料的潜力,尤其适用一些不利于共混加工的单体和聚合物材料。通过结合材料的属性和器件的优劣可以有的放矢地进行光伏性能优化,具有一定的指导意义。在室内应用方面,低光强导致更少的激子和载流子参与光电转化过程,进而造成器件加剧的电荷复合和显著的光强依赖。鉴于不同的性能指标和工作机制,我们详细研究了基于Y系列受体不同器件的室内光伏性能。首先依次从光谱匹配、能量损失和电荷复合三个方面进行性能优化,最终基于PM6:OY3制备出室外光伏效率为15.77%且室内光伏效率达到22.05%的LBL器件。得益于双层活性层高度的垂直相分离结构和单一的相区组分,LBL器件相比BHJ器件具有更优异的电荷抽取能力和抑制电荷复合能力,同时在室内弱光下的优势更加明显。本部分工作不仅为室内有机光伏的性能优化提供了新思路,也证明了LBL器件结构更加适合室内应用。为了进一步探索有机光伏器件的多功能应用,我们继续研究了基于Y系列受体不同器件的光探测性能。通过搭配深能级给体和构筑LBL器件增大电荷注入势垒,使暗电流密度降低了两个数量级,最终实现了在490-830 nm波长范围内超过1013 cm Hz1/2W-1的比探测率。双层活性层的垂直相分离结构具有更理想的界面接触和更高的电荷注入势垒,是LBL器件探测性能提升的主要原因。同时基于PM6:OY3的LBL器件具有优异的综合探测性能:基于噪声频谱密度的比探测率在450-830 nm波长范围内超过1012 cm Hz1/2 W-1,截止频率为52 k Hz,响应时间在8μs左右。本部分工作为自驱动式有机光电探测器的研究提供了有益的参考和借鉴。
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