添加剂调控聚合物太阳能电池活性层形貌及垂直相分离的研究

来源 :兰州交通大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:lizhongfeng3218
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聚合物太阳能电池(PSCs)以低成本、环保、柔性、半透明、可大规模制备等优点,成为下一代太阳能利用的重要技术之一。通过给/受体材料设计合成、界面修饰、形貌优化和器件结构等方面的持续努力,目前单节PSCs的功率转化效率(PCE)已经超过17%,显示出光明的产业化前景。良好的活性层形貌有利于实现高PCE的PSCs,而使用溶剂添加剂是优化活性层形貌简单且行之有效的方法,因此对溶剂添加剂作用机理的研究十分必要。本文选用窄带隙聚合物PTB7-Th作为给体、PC71BM作为受体。通过调控溶剂添加剂的种类和含量来优化器件性能,研究不同溶剂添加剂对PTB7-Th:PC71BM形貌和垂直相分离的调控作用,并阐述了其与器件性能的关系。具体内容主要分为以下三个部分:(1)采用新型高沸点溶剂添加剂二苯硫醚(DPS,295℃)改善基于PTB7-Th:PC71BM的光伏器件性能,并研究其作用机理。通过制备不同DPS含量的PTB7-Th:PC71BM光伏器件,探究DPS含量对光伏器件性能的影响。通过飞行时间二次离子质谱仪(TOF-SIMS)、水接触角(WCA)、掠入射广角X射线散射(GIWAXS)等表征,对DPS的作用机理进行分析。结果表明DPS不仅能够调节给受体组分垂直分布,而且可以提升活性层的有序分子堆积,因而有效地改善了激子解离、电荷传输和收集,PCE从7.99%提升到9.71%。(2)采用新型高沸点无毒食品添加剂水杨酸苄脂(BS,335℃)提高ITO/ZnO/PTB7-Th:PC71BM/MoO3/Ag倒置光伏器件性能,并研究其作用机理。通过制备含有不同体积分数BS的PTB7-Th:PC71BM光伏器件,研究BS的体积含量对器件性能的影响。BS表现出一定体积范围内的容错性(1%~4%),PCE均能达到8.83%以上。随后,研究了BS的作用机理。结果表明BS能够溶解PC71BM,将会使PC71BM向活性层底部迁移,分别在活性层表面和底部形成了一个PTB7-Th富集区和PC71BM富集区,从而有利于载流子的抽取,减少载流子复合,填充因子(FF)和短路电流密度(JSC)显著提高。(3)采用新型绿色添加剂苯甲酸苄脂(BB,323℃)改善ITO/ZnO/PTB7-Th:PC71BM/MoO3/Ag器件的光伏性能,并研究其光伏性能提升的机理。将1%BB加入PTB7-Th:PC71BM活性层中,实现了PCE从4.83%到9.43%的提升,器件性能的提升归咎于优化的活性层形貌。研究表明,使用1%BB的活性层能够获得更好的相分离尺寸,增加了给/受体界面面积,促进激子解离和电荷输运。进一步通过水接触角(WCA)测试表明,当活性层使用1%BB处理,表面PTB7-Th的含量得到提高,从而获得高的迁移率和更少的复合损失,进而实现高填充因子和短路电流密度的器件。
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