有机小分子阴极缓冲层提高聚合物太阳能电池的性能

【摘要】聚合物太阳能电池因其成本低、重量轻、可生产柔性器件和制备工艺简单等优点,而成为新型可再生能源研究的热点。如何提高聚合物太阳能电池的能量转换效率(PCE)一直是聚合物太阳能电池的研究重点,目前可行的方法主要包括新型给体／受体材料的开发、光伏活性层微观形貌的调控、电池器件结构优化、引入缓冲层进行界面修饰、电极材料的优化与改进等。本论文主要集中于利用新型有机小分子阴极缓冲层提高聚合物太阳能电池的性能研究,开展了以下两方面的工作：(1)首次将含氨基(-NH2)的三种有机小分子,缩二脲(Biuret,C2H5N3O2)、二氰二胺(Dicyandiamide,C2H4N4)和尿素(Urea,CH4N2O),用作阴极缓冲层,显著地提高了P3HT:PCBM聚合物太阳能电池的能量转换效率。我们通过旋涂的方法将含氨基的有机小分子直接嵌入到P3HT:PCBM聚合物太阳能电池的光伏活性层和阴极(A1)之间,形成阴极缓冲层。在优化的溶液浓度(1.0mg/mL)和旋涂速度(3000rpm)条件下,引入了缩二脲、二氰二胺和尿素的P3HT：PCBM聚合物太阳能电池的能量转换效率分别为3.84%,4.25%和4.39%,相对于未引入任何阴极缓冲层的参比电池分别提高了15%、27%和31%。分析表明能量转换效率的提高主要归因于短路电流(Jsc)和填充因子(FF)的提高,其中短路电流的提高幅度分别为13%、11%和15%,而填充因子的提高幅度分别为2%、11%和12%。引入含氨基的有机小分子阴极缓冲层对于短路电流和填充因子的提高的机理主要是因为在光伏活性层和阴极(A1)之间形成了正电荷端指向铝电极而负电荷端指向活性层的界面偶极层,降低了A1电极和PCBM之间的能垒,使得电子更容易被阴极抽取和收集。进一步地,我们提出三种不同的含氨基有机小分子作为阴极缓冲层的效果差异是由于分子结构中所含的氨基数目的不同以及分子自身偶极的差异造成了界面偶极大小的差异,对功函数的修饰效果不同,从而对聚合物太阳能电池的提高幅度不同。(2)将柠檬酸三乙酯(triethylcitrate,C12H20O7)作为阴极缓冲层分别引入到P3HT:PCBM和PCDTBT:PC7oBM体系聚合物太阳能电池中,有效地提高了电池的能量转换效率。初步实验结果表明,在优化的旋涂条件(溶液浓度为1.0mg/mL,旋涂速度为3000rpm)下,将柠檬酸三乙酯嵌入到聚合物太阳能电池的光伏活性层和阴极(A1)之间形成阴极缓冲层,P3HT:PCBM和PCDTBT:PC7oBM体系的电池器件的能量转换效率分别提高了25%和11%。对于P3HT:PCBM体系,这一提高主要来自于短路电流(Jsc)和填充因子(FF)的提高；而对于PCDTBT:PC70BM体系而言,能量转换效率的提高则主要来自于开路电压(Voc)和填充因子(FF)的提高。具体的机理仍需进一步的深入研究。
【作者】赵雪梅；
【导师】杨上峰；
【作者基本信息】中国科学技术大学，材料物理与化学，2014，硕士
【关键词】聚合物太阳能电池；阴极缓冲层；能量转换效率；有机小分子；缩二脲；二氰二胺；尿素；柠檬酸三乙酯；

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