基于钛氧簇的阴极界面层在聚合物太阳能电池中的性能研究

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以有机半导体为吸光材料的有机太阳能电池(OSC)具有质轻、半透明、可卷对卷柔性制备等特点,显示出巨大的应用潜力。有机太阳能电池器件是由吸光层、界面层和电极构成,其中界面层位于吸光层和电极之间,根据所在电极处相对极性的不同分为阴极界面层(CIL)和阳极界面层(AIL),它们对光电器件中载流子传输行为的调节及改善器件的能量转换效率等方面具有重要的作用。其中,对具有电子传输功能的阴极界面层材料的要求为能有效降低阴极功函、良好的电子迁移率和导电性、优异的成膜性和高效的电荷提取能力。基于以上要求,我们发展了以环状钛氧簇(CTOC)为分子模型的新型阴极界面材料,并成功地用于高效聚合物太阳能电池中。本文的主要内容如下:第一章简要概述了有机太阳能电池的发展历史、器件结构、工作原理、性能参数以及吸光材料的创新发展,并介绍了界面层材料在有机太阳能电池中的研究现状,最后提出了本论文的设计思路和研究内容。第二章开发了一种合成简单、成本低廉的以环状钛氧簇(CTOC)为无机核,以萘类溴化铵盐为电解质的有机-无机杂化电解质材料CTOC-N-Br。CTOC-N-Br在醇溶液中显示出优异的溶解性,通过紫外光电子能谱(UPS)的测试发现该材料可有效降低银电极的功函,从电子自旋共振(ESR)发现该材料具有明显的电子自掺杂效应,可高效地进行电子的提取和传输。利用掠入射广角X射线衍射(GIWAXS)和原子力显微镜(AFM)发现CTOC-N-Br存在良好的非晶态成膜性。作为一种通用性较好的阴极界面层材料用于非富勒烯和富勒烯型聚合物太阳能电池中,分别取得了17.19%(PM6:BTP-4Cl)、12.91%(PM6:IT-4F)、8.72%(PM6:PC71BM)、8.87%(PTB7-Th:PC71BM)的优异能量转换效率。第三章通过配体交换的方法,将4-甲基苯甲酸、苯甲酸和4-三氟甲基苯甲酸修饰在CTOC的外围,即合成了苯基功能化的CTOC-CH3、CTOC-H和CTOC-CF3,将其作为阴极界面材料应用于PM6:BTP-4Cl的聚合物太阳能电池中,分别取得了17.08%、17.02%和15.87%的能量转换效率。通过紫外光电子能谱发现CTOC-CH3、CTOC-H和CTOC-CF3可以在金属表面形成界面偶极子,从而显著降低银电极的功函;从电子自旋共振的测试发现CTOC-CH3、CTOC-H和CTOC-CF3与非富勒烯受体之间具有强效的n电子掺杂效应。另一方面,通过在这些材料的醇溶液中掺入10%质量分数的聚乙二醇,以此降低它们的结晶性。通过原子力显微镜发现聚乙二醇的掺杂使它们形成了更优的薄膜形貌。得益于薄膜质量的提高,CTOC-CH3、CTOC-H和CTOC-CF3的器件能量转换效率分别进一步提升至17.26%、17.23%和16.77%。
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