外場下液晶分子調(diào)控活性層形貌的機理及其太陽能電池性能.pdf

1、聚合物太陽能電池作為利用太陽能的一種低成本器件,其光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達到了10％以上。對于給定的給受體材料,活性層的微觀形貌是決定其性能的重要因素,調(diào)控活性層形貌對于提高器件效率具有重要的意義。
　　液晶(LC)是一類介于固體和液體之間的相態(tài),同時具備晶體以及液體的性質(zhì),具有優(yōu)良的電學(xué)以及光電性能。將液晶分子作為第三組分引入活性層中,可望誘導(dǎo)給受體材料的結(jié)晶與相分離,并調(diào)節(jié)能級匹配。
　　本文合成了4-正辛氧基-4-氰基聯(lián)苯(

2、8OCB)液晶小分子,將其作為第三組分,摻雜到聚3-己基噻吩(P3HT)與[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PC61BM)共混體系中。通過在不同的溫度下退火,調(diào)控共混物薄膜的結(jié)構(gòu)與形貌。發(fā)現(xiàn)當(dāng)液晶含量為6 wt%,且在液晶相溫度區(qū)間70 ℃下退火時,相應(yīng)的太陽能電池器件效率可達最高值3.5%,且空穴的遷移率也最大。認為退火溫度為70 ℃時,液晶處于各向異性狀態(tài),液晶分子能夠誘導(dǎo) P3HT分子鏈形成有序的結(jié)晶,而當(dāng)退火溫度為130 ℃時

3、,液晶進入各向同性狀態(tài),對P3HT分子鏈的誘導(dǎo)作用消失,相應(yīng)的器件性能與形貌也變差。退火溫度從室溫升至70 ℃和130 ℃時,P3HT結(jié)晶片層間距從16.22A變?yōu)?6.50A和17.04A,說明在較高溫度下,PCBM和液晶分子能進入P3HT結(jié)晶的片層區(qū)域。液晶分子與P3HT之間不相溶,但是可以作為模板調(diào)控活性層形成更優(yōu)化的形貌。
　　為了研究液晶小分子在電場作用下調(diào)控P3HT和PCBM的結(jié)晶與相分離的機理,將4''-正戊基-4-

4、氰基三聯(lián)苯(5CT)液晶小分子加入活性層,在成膜過程中,施加外電場,研究不同電場強度下活性層的形貌以及相應(yīng)器件的性能。結(jié)果表明,液晶小分子與P3HT不相溶,能作為成核劑誘導(dǎo)P3HT結(jié)晶,而液晶小分子與PCBM間由于較強的π-π相互作用,能誘導(dǎo)PCBM形成復(fù)合聚集體,限制彼此的結(jié)晶。施加電場后,液晶小分子能沿電場方向取向,且與 PCBM形成的納米棒也能沿電場方向取向,優(yōu)化了活性層的形貌。廣角掠入射X衍射結(jié)果表明, P3HT形成了edge-