發(fā)布時間：2019-11-15 13:54

【摘要】：氧化銦錫(ITO)在有機光電器件中被廣泛地用作透明窗口電極,由于它的功函數大約為4.7e V,ITO在傳統(tǒng)的器件中只適合作為陽極,陰極則需要用到比較活潑的低功函數金屬,對器件的穩(wěn)定性和效率極為不利。為了提高器件的穩(wěn)定性,研究人員開發(fā)了倒裝結構的器件,然而在倒裝結構中,ITO與活性層不能直接匹配,因此需要對ITO進行界面修飾降低其功函數。在調控了ITO透明陰極的功函數之后,電子傳輸層也存在能級匹配的問題,因此,對常用于陰極緩沖和電子傳輸的金屬氧化物二氧化鈦(TiO_2)進行修飾十分必要。然而,研究人員發(fā)現(xiàn)溶膠-凝膠制備的TiO_2存在著不同的缺陷,直接影響著聚合物/TiO_2界面以及TiO_2薄膜內部的電荷解離、傳輸和復合,這也是當前研究的熱點,僅僅對TiO_2表面進行能級調控還不足以解決這些問題,需要對TiO_2表面進行更多的修飾,因此,本文對ITO和TiO_2進行了一系列的界面修飾工作。采用自然生物分子材料氨基酸和多肽修飾ITO,使得ITO的功函數非常明顯地降低,修飾后ITO的功函數與絕大部分有機材料的最低非電子占有軌道(LUMO)電子能級匹配,可以廣泛地用作器件的陰極。在有機光電子器件的應用中,經過多肽修飾后的ITO作為陰極,有機太陽能電池(OSCs)器件的能量轉換效率(PCEs)從2.12%大幅升高到8.13%。相比于采用活潑金屬作為陰極的傳統(tǒng)正裝器件,采用多肽修飾的ITO作為陰極的倒裝器件在空氣中顯示出更加優(yōu)越的器件穩(wěn)定性。在類似結構的器件中,自組裝氨基酸生物分子修飾ITO表面同樣獲得了很低的功函數,并獲得了高性能的有機光電探測器(OPDs)。采用苯并二噻吩-吡咯并吡咯二酮共聚物(PBDTT-DPP)和C70衍生物(PC71BM)的混合物作為活性層的OPDs,在775nm波長處展現(xiàn)的最高比探測率為5.38×1013jones,而且在350到820nm的可見到近紅外的寬幅波長范圍內,比探測率均在2.61×1013jones以上,器件在擁有高比探測率的同時,也獲得了上升時間為3.9μs的快速響應速度。該工作為制備較低功函數的透明陰極和制備高性能的有機太陽能電池和有機光電探測器提供了一種綠色、環(huán)保、工藝過程簡單的方法。采用氨基酸修飾金屬氧化物TiO_2,獲得了高性能的OPDs。該OPDs從紫外光到近紅外光(350到900nm)的區(qū)域有一個寬的響應,并且在775nm波長處和-0.1V電壓下展現(xiàn)了2.69×1013jones的最大比探測率,快的響應速度,寬的線性動態(tài)范圍(LDR)和長的時間穩(wěn)定性。研究了等電點差異大和等電點相近而極性不同的兩組氨基酸分別對TiO_2進行修飾獲得的器件效果,研究結果表明:兩組氨基酸都與TiO_2發(fā)生了良好的化學反應,當等電點差異大時,含有中性氨基酸的器件展現(xiàn)了最佳的性能;當等電點相近而極性不同時,含有非極性氨基酸的器件比含有極性氨基酸的器件有著更好的性能。該工作為電子傳輸層的修飾提供了一種綠色、環(huán)保的方法,同時,也為在電子器件應用中氨基酸的選擇提供了依據。針對聚合物/TiO_2界面的電荷解離、傳輸和復合問題,采用了TiO_2納米紡絲對TiO_2溶膠-凝膠薄膜進行了修飾,因為TiO_2納米紡絲滲入活性層與活性層有著更緊密的接觸以及其自身優(yōu)越的電子傳輸能力,使得界面的電荷解離和傳輸能力增強,從而獲得了高性能的OPDs器件。此外,研究了不同有序度TiO_2納米紡絲修飾TiO_2薄膜制備器件的效果,結果表明:有著單方向對齊納米紡絲的器件展現(xiàn)出了最高的比探測率和最快的響應速度。該工作使得簡單、可控的方法制備的納米紡絲應用到了高性能的OPDs上。針對TiO_2薄膜層內部的電荷解離、傳輸和復合問題,嵌入富勒烯(C_(60))到TiO_2中作為電子傳輸層制備了雜化太陽能電池和雜化光電探測器,器件性能大幅提升。采用熒光光譜和瞬態(tài)熒光光譜,證實了聚(3-己基噻吩)P3HT的激子通過F?ster共振能量轉移(FRET)轉移到TiO_2的缺陷中,激子捆禁在缺陷中并發(fā)生復合。將C_(60)嵌入到TiO_2中,缺陷態(tài)中的激子可以將電子轉移給C_(60)并傳輸到陰極,使得器件性能升高。該工作提出了在界面修飾層的內部進行修飾,使得界面修飾工作不再停留在界面層的表面,而是滲入到了界面層的內部。
【圖文】：

圖 1-1 給體-受體異質結太陽能電池的工作機制（1）給體的光生激子產生一個與庫倫力相關的電子-空穴對（2）激子擴散到給體-受體界面（3）束縛的激子在 D-A 界面解離形成孿生電子-空穴對（4）電極處自由電荷的傳輸和收集[21]Fig.1-1 Working mechanism for donor-acceptor heterojunction solar cells (1) Photoexitation ofthe donor to generate a Coulomb correlated electron-hole pair (2) Exciton diffusion to the D-Ainterface (3) Bound exciton dissociation at the D-A interface to form a geminate pair (4) Freecharge transportation and collection at electrodes[21]公式（1-1）、（1-2）、（1-3）和（1-4）顯示了光生激子到自由電荷產生整個路徑的基本步驟[22, 23]，該過程也可以發(fā)生在一個激發(fā)受體的類似情形中，這些機制步驟的細節(jié)已經被廣泛討論[22]。該過程需要提供孿生電子-空穴對形成的能量，并且有足夠能量的驅動力來分離這個與庫倫力相關的電子-空穴對。給體和受體的光生電荷分離過程的初期步驟[23]：（1）給體的光生激子；（2）激子的擴散和遭遇電子-空穴對的形成；（3）遭遇電子-空穴對的電子傳輸形成孿生電子-空穴對；（4）電荷分離。這些過程可以用下面的反應方程式來表示：D A D A*(1-1)[,]**D A DA(1-2)

哈爾濱工業(yè)大學工學博士學位論文性能卻和 ZnO 的厚度有關，I-V 曲線會出現(xiàn)一個扭結，并且通過 UV 照射，這種扭結現(xiàn)象會減輕。當厚度大于 10nm 時，器件的性能不在依賴于 ZnO 的厚度而更多的是依賴于活性層的厚度，通過優(yōu)化器件，，他們獲得的 PCE 為 3.06%[84也有研究人員采用聚合物來修飾 ITO 制備有機光電器件，鄧先宇等人報道了把PEG 混入到電子發(fā)光（EL）聚合物中大大地提升了聚合物發(fā)光二極管（PLED的 EL 效率。摻入 10%PEG 的橙光聚合物發(fā)光二極管在很寬的電壓范圍實現(xiàn)了超過 2.6cd/A 的器件效率，比沒有摻入 PEG 的 PLED 效率高兩個數量級[85]。曹鏞團隊報道了采用一種醇溶性/水溶性的共軛聚合物 PFN 來修飾 ITO，降低了ITO 的功函數，獲得了一個效率為 9.2%的高效倒裝聚合物太陽能電池，為制備效率為 10%的器件提供了途徑，器件結構和效率如圖 1-3 所示[66]。Ouyang 等人a) b)
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN15;TM914.4;O646.541

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本文編號：2561335