金屬-聚合物界面結(jié)構(gòu)及其與聚合物太陽能電池性能的聯(lián)系.pdf

1、聚合物太陽能電池由于具有制備工藝簡單、質(zhì)量輕、成本低、易制成大面積柔性器件等優(yōu)勢，成為目前太陽能電池研究領(lǐng)域的熱點。近些年來，聚合物太陽能電池的研究取得了很大的進展。但是，現(xiàn)階段的聚合物太陽能電池仍然存在效率低和穩(wěn)定性差的問題，導致難以推廣使用，因此如何提器件的高能量轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性是實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。在這些器件中，通常應(yīng)用低功函數(shù)金屬作為器件的陰極收集來自活性層的電子。在器件制備時，通過熱蒸發(fā)的方式沉積在有機活性層表面的金屬電極不

2、僅會擴散進入聚合物薄膜內(nèi)部，還會與聚合物材料發(fā)生強烈的化學相互作用。此外，金屬電極與聚合物之間的界面性質(zhì)亦會對聚合物太陽能電池中激子分離、傳輸、收集和復合等過程產(chǎn)生重大的影響，最終影響到電池的能量轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性。因此，深入地了解金屬/聚合物間的界面性質(zhì)和精確地調(diào)控界面結(jié)構(gòu)是制備高性能的聚合物太陽能電池的關(guān)鍵。
　　基于以上研究背景，本論文從金屬/聚合物界面入手，通過多種表面分析方法原位研究了金屬/聚合物的界面結(jié)構(gòu)及其與聚合物太陽

3、電池性能的聯(lián)系:利用X射線光電子能譜(XPS)、真空紫外光電子能譜(UPS)、高分辨率的同步輻射光電子能譜(SRPES)、近邊X射線吸收精細結(jié)構(gòu)譜(NEXAFS)、吸附量熱和粘附幾率測量方法對金屬在聚合物界面處的化學反應(yīng)和擴散情況進行了詳細地研究;通過低溫沉積的的方法對金屬/聚合物的界面結(jié)構(gòu)進行了調(diào)控;利用瞬態(tài)光伏(TPV)和載流子提取法(CE)研究了金屬電極對聚合物太陽能電池中的載流子壽命、濃度和復合速率的影響。這些研究結(jié)果將器件中的

4、界面性質(zhì)和器件的性能聯(lián)系在一起，為進一步提高器件性能提供了指導。本論文的主要開展了如下的工作:
　　(1)選用目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和在聚合物太陽能電池中常用作電極的金屬Ca作為金屬/聚合物界面研究的模型體系。通過XPS和NEXAFS詳細地研究了室溫條件下金屬/聚合物界面處的化學反應(yīng)情況。O1s，C1s，和Ca2p芯能級譜圖隨著Ca沉積量增加發(fā)生了顯著的變化，這一現(xiàn)象直接地表明了在低覆蓋度時，金屬C

5、a優(yōu)先與PMMA分子中的酯基發(fā)生化學反應(yīng)，并伴隨著C-O鍵的斷裂失去甲基而生成羧酸鹽。O的K邊NEXAFS譜圖的變化情況進一步明確了PMMA分子中的酯基作為反應(yīng)活性位與金屬Ca反應(yīng)。在本實驗中，XPS和NEXAFS的實驗結(jié)果互相印證，并結(jié)合吸附量熱結(jié)果清楚地確立了Ca與PMMA的反應(yīng)機制。
　　(2)通過低溫沉積的方法對金屬/聚合物界面的化學反應(yīng)和擴散深度進行了調(diào)控。我們利用吸附量熱技術(shù)、粘附幾率測量方法以及XPS研究了低溫沉積對

6、Ca/PMMA界面結(jié)構(gòu)的影響。研究發(fā)現(xiàn)在低溫條件下(90K)，Ca在PMMA上的擴散深度明顯減小，而且化學反應(yīng)程度顯著減弱。在300K時，界面反應(yīng)深度為2.5 nm（5.4個分子層），然而在90K時，界面反應(yīng)深度小于0.3 nm（0.6個分子層）。因此，低溫沉積的方法可以有效地抑制化學反應(yīng)并減弱擴散深度，從而得到“平直”的界面。我們認為低溫沉積方法可以應(yīng)用于聚合物太陽能電池中實現(xiàn)對金屬電極/聚合物界面結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控。
　　(3)我

7、們分別以Ca/Al和Al作為電極制備了基于PCDTBT(poly[N-9"-hepta-decanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)])和PC70BM（[6，6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester）的體相異質(zhì)結(jié)聚合物太陽能電池。與單純以Al為電極的器件相比，基于Ca/Al電極的器件的開路電壓

8、(Voc)、短路電流(Jsc)、填充因子(FF)以及能量轉(zhuǎn)化效率(PCE)均有明顯的提高。為了理解金屬電極是如何影響器件的性能，我們利用TPV、CE和SRPES分別對Ca/PCDTBT和Al/PCDTBT的界面進行了細致的研究。通過TPV和CE測量了器件中的載流子壽命和濃度，發(fā)現(xiàn)相比于以Al為電極的器件，以Ca/Al為電極的器件的載流子復合速率常數(shù)要小很多。通過高分辨率的SRPES研究了金屬電極/PCDTBT界面的化學反應(yīng)和能帶結(jié)構(gòu)，研