以碱金属盐为阴极界面层的有机光电器件的制备及性能

以碱金属盐Li F,Na F,Cs F和Cs2CO3作为阴极界面材料,制备了高效率有机小分子电致发光二极管(SMOLEDs)、聚合物电致发光二极管(PLEDs)及聚合物太阳能电池(PSCs).在SMOLEDs和PLEDs中,Cs F作为阴极界面层的器件流明效率和功率效率最高.在以聚对苯乙烯撑(P-PPV)为发光层的PLEDs中,Cs F作为阴极界面层的器件最大流明效率可达17.85 cd/A,比Li F作为阴极界面层的器件流明效率提高近300%.在以聚(3-己基噻吩)(P3HT)∶[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PC61BM)为活性层的PSCs中,当Li F为阴极界面层时,器件功率转换效率(PCE)可达4.12%.而以Na F,Cs2CO3和Cs F为阴极界面层时,PCE分别为3.72%,3.55%和3.2%.这是因为从上述碱金属盐中分解出来的碱金属原子扩散进入器件的有机层并对有机层进行了n型掺杂,影响了器件的电流密度和效率.     

含有不同卤素阴离子的离子液体作为倒置聚合物太阳电池阴极界面层的研究

采用离子液体作为阴极界面层来制备高效的倒置聚合物太阳电池,并考察了含有不同卤素阴离子的离子液体对器件光电转换效率的影响规律.由1-苄基-3-甲基咪唑阳离子和卤素阴离子组成的离子液体作为阴极界面层、PBDTTT-C:PC71BM作为活性层制备的倒置器件,光电转换效率达到6.55%,高于不采用离子液体作为阴极界面层的器件效率;当采用PTB7-Th:PC71BM作为活性层时,可获得8.24%的光电转换效率.离子液体通过界面偶极作用可以有效降低电极和活性层之间的接触势垒,减小串联电阻,从而提高器件效率.同时,发现碘离子作为阴离子的1-苄基-3-甲基咪唑离子液体比含氯离子、溴离子的1-苄基-3-甲基咪唑离子液体作为阴极界面层更有利于提高倒置器件的光伏性能.     

改善有机光伏器件性能的新型缓冲层

通过热蒸发在ITO阳极和聚3,4-乙撑二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)层之间引入一层聚四氟乙烯（PTFE）缓冲层,研究聚四氟乙烯缓冲层对基于聚3-己基噻吩:6,6-苯基-C61丁酸甲酯(P3HT:PCBM)的有机光伏器件光电特性影响。与使用PEDOT:PSS作为缓冲层的器件相比,使用聚四氟乙烯缓冲层的有机光伏器件开路电压、短路电流和光电转换效率均有所提高。器件光电性能提高的原因是由于PTFE缓冲层大量带负电荷的氟离子在ITO/PTFE界面处形成偶极子层, 改善了内建电场,从而使得空穴电荷的收集更加有利。     

电极界面缓冲层对P3HT:PC61BM太阳能电池热稳定性的影响

基于溶液法加工制备的聚合物太阳能电池的高温热稳定性是决定器件能否兼容后续高温热封装工艺, 如热压封装、高温原子层沉积(ALD)等的一个关键. 本文分别利用聚(3, 4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)和MoO₃作为阳极缓冲层, 以及ZnO和LiF 作为阴极缓冲层, 制备了结构为氧化铟锡(ITO)/阳极缓冲层/3-己基取代聚噻吩:(6, 6)-苯基C₆₁-丁酸甲酯(P3HT:PC₆₁BM)/阴极缓冲层/Al 的太阳能电池, 系统地比较研究了不同界面缓冲材料对器件光电转换性能及稳定性的影响, 特别是在高温煺火条件下器件的性能稳定性差异. 结果表明, 聚合物太阳能电池的热稳定性同器件的结构以及所用的缓冲层材料有密切的相关性. 其中, 利用MoO₃及ZnO分别作为阳极与阴极界面修饰层的P3HT:PC₆₁BM器件在120-150 ℃的温度范围内能够较好地保持器件的光电转换性能. 这一结果为后续需要高温封装工艺的器件提供了有意义的结构优化指导. 此外, 研究结果还表明利用ZnO作为阴极缓冲层能够改善器件的长时间稳定性.     

聚合物太阳能电池阴极修饰层研究进展

聚合物太阳能电池以其质量轻、成本低、制备工艺简单等优点成为清洁能源利用的研究热点.近年来聚合物太阳能电池光电转换效率逐步提高,单结聚合物太阳能电池的光电转换效率已超过11%,其中器件的界面修饰层成为影响器件光伏性能的重要因素.本文总结了聚合物太阳能电池阴极修饰层的研究进展,分别从无机材料和有机材料两方面介绍了常用的阴极修饰层材料.无机材料包括金属氧化物、金属和金属化合物等,有机材料包括聚合物、富勒烯衍生物以及n-型有机半导体材料等.本文还从阴极修饰层的电学特性、光学特性、能级位置、表面形貌、界面接触等方面讨论了其对聚合物太阳能电池光伏性能的影响,展望了聚合物太阳能电池的发展前景.     

阴极界面修饰层改善平面p-i-n型钙钛矿太阳能电池的光伏性能

有机/无机杂化金属卤化物钙钛矿半导体材料结合了有机材料良好的溶液可加工性以及无机材料优越的光电特性,近几年受到了热捧,成为太阳能电池领域一颗耀眼的明星. 伴随着钙钛矿薄膜结晶过程和形貌的优化、器件结构的改进以及电极界面材料的开发,这类有机/无机杂化金属卤化物钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从最初的3.8%迅速提高到目前最高的22.1%. 其中界面工程在提升器件性能上发挥着极其重要的作用. 本文总结了平面p-i-n型钙钛矿太阳能电池中阴极界面修饰层（CBL）的研究进展. CBL从材料上讲可分为无机金属氧化物、金属或金属盐以及有机材料,从构成上讲可分为单层CBL、双层CBLs以及共混型CBL. 本文对这些类型的CBL分别给予详细的介绍. 最后,我们归纳出CBL在改善器件效率和稳定性上所起的作用以及理想CBL所应满足的要求,希望能为以后阴极界面修饰材料的设计提供一定的借鉴.     

以膦酸酯聚芴作为阴极界面修饰层的高效聚合物红光电致发光器件

以膦酸酯聚芴为阴极界面修饰层, 高功函金属铝为阴极, 制备了一种高效聚合物红光电致发光器件. 通过X射线光电子能谱(XPS)的表征, 分析了经真空蒸镀沉积在膦酸酯聚芴表面的Al原子与下层的膦酸酯聚芴在有机物-金属界面处的作用情况, 结果表明, 在真空蒸镀金属Al的过程中, 在有机物-金属界面处形成了一种氧/铝复合物. 研究了这种氧/铝复合物对器件光电性能的影响, 结果表明, 氧/铝复合物的产生提高了阴极电子的注入, 使器件效率得到了很大提高. 与以Ca/Al为阴极的传统器件相比, 以膦酸酯聚芴/Al为阴极的聚合物电致发光器件的效率提高了75%, 达到7.0 cd/A.     

溶液法制备有机太阳电池阳极界面修饰层MoO3

在全溶液低温制备高效、稳定有机光伏器件过程中,合理选择制备器件界面修饰材料的方法至关重要,它已成为近期有机光伏领域的重点研究内容之一。合理的界面材料能降低界面的势垒高度,减少器件的串联电阻。溶液法制备三氧化钼（MoO₃）阳极界面缓冲层能有效地改善有机太阳电池阳极界面收集和载流子传输的效率,从而提高太阳电池能量转换效率,同时也提高太阳电池的稳定性。本文综述了近年来溶液法制备有机太阳电池阳极界面修饰层MoO₃的研究进展,介绍了阳极界面修饰层MoO₃的各种制备方法与原理,阐述了基于溶液法制备界面修饰层MoO₃薄膜的研究现状与存在问题,以期为全溶液法制备高效稳定有机太阳电池的研究提供有价值的参考。     

含1,1-二（4-（N,N-二甲基胺基）苯基）-2,3,4,5-四苯基噻咯的聚合物在三种阴极结构中的电致发光性能

设计合成了一种1,1-位为二（4-（N,N-二甲基胺基）苯基的新型噻咯单体,并与2,7-芴单体聚合得到六苯基噻咯单体投料量为1%、10%、20%的三种共聚物PF-N-HPS1～20.研究了这些共聚物的紫外吸收光谱、电化学性质、光致发光光谱和电致发光性能.PF-N-HPS的HOMO能级为5.25～5.58eV,呈现绿光发射.以PF-N-HPS为发光层,制作了三种聚合物发光二极管（器件结构A：ITO/PEDOT/PF-N-HPS/Al;器件结构B：ITO/PEDOT/PF-N-HPS/Ba/Al;器件结构C：ITO/PEDOT/PF-N-HPS/TPBI/Ba/Al）.其中器件结构A的电致发光效率仅为0.1～0.33cd/A,说明PF-N-HPS中的4-（N,N-二甲基胺基）苯基结构不能使单独的Al阴极实现良好的电子注入.采用了低功函金属Ba阴极的器件结构B能改善电子的注入,使电致发光效率提高到0.85～1.44cd/A.器件结构C采用TPBI（HOMO：6.2eV）作为电子传输和空穴阻挡层,促进了电子和空穴的有效复合,进一步提高了电致发光效率（4.56～7.96cd/A）,其中TPBI层将噻咯聚合物与金属阴极隔离可能减少发光层在阴极界面处的激子猝灭也起到了一定的作用,器件结构C较器件结构B还获得了更好的绿光光谱.     

PEMFC电极中表面扩散现象的初步研究

制作双催化层结构的PEMFC电极.该双催化层由含有Nafion的内催化层、无Nafion的外催化层组成.循环伏安测试表明,未与Nafion直接接触的外催化层Pt/C催化剂也参与发生在"Pt/Nafion"界面氢原子的吸脱附反应和Pt表面含氧粒子的电化学氧化还原.当电势扫描速率较低时,未与Nafion直接接触的外层Pt/C催化剂,其对氢脱附电流的贡献和直接与Nafion接触的内催化层的Pt/C催化剂大致相当.以双催化层电极作PEMFC阴极,单电池(PEMFC)极化曲线测试表明,其阴极外催化层能明显地提高该单电池在活化极化区的输出性能.进一步证明了PEMFC阴极外催化层不与Nafion直接接触的Pt/C催化剂可通过其表面吸附含氧粒子的表面扩散参与发生在"Pt/Nafion"界面氧的电化学还原反应.上述实验为设计PEMFC电极提供了一定的新思路.     

基于磷光材料的低给体比例有机太阳能电池

本文以低比例的磷光材料作为给体,制备了基于MoOx/C60:x%Ir(ppy)3的有机太阳能电池(OPV)器件.其中,C60为高比例的受体材料,金属配合物Ir(ppy)3为低比例的给体材料,MoOx为阳极缓冲层.通过一系列不同Ir(ppy)3比例的OPV器件对比研究,得出了最优器件结构.研究发现,当Ir(ppy)3比例足够小时,器件表现为肖特基势垒,开路电压(VOC)较大,短路电流(JSC)较小;随着Ir(ppy)3比例的增加,VOC逐渐减少,而JSC逐渐增大;当进一步增加Ir(ppy)3比例时,VOC趋于稳定,JSC开始减小.结果显示,5%Ir(ppy)3比例的器件性能最佳,效率达1.7%.为了使器件效率得到进一步提升,本研究组采用吸收光谱范围比C60更宽的C70作为受体材料,使光电转换效率进一步提升至3.0%.     

水/醇溶共轭聚合物界面材料及其在光电器件中的应用

相对于传统的无机半导体器件,以有机半导体(特别是聚合物半导体)材料为基础的有机光电器件,可采用与传统印刷技术(例如喷墨打印、卷对卷印刷等)相结合的溶液加工方式制备低成本、大面积、柔性光电器件,因而成为广泛关注的焦点,并得到了快速发展.实现溶液加工的高效有机光电器件的一个关键问题是界面问题——如何避免溶液加工时有机层间的互溶以及如何实现可印刷稳定金属电极的高效电子注入等.水/醇溶性共轭聚合物的迅速发展为解决溶液加工多层有机光电器件所面临的界面问题提供了有效手段.研究发现,水/醇溶共轭聚合物不但可以有效避免溶液加工多层器件中的界面互溶,而且还可与高功函数的稳定金属发生界面偶极相互作用而增强其电子注入,从而解决了高功函数稳定金属电子注入的难题,为实现全溶液加工的高效印刷有机光电器件提供了可行的方案.本文介绍了近年来本课题组在水/醇溶共轭聚合物阴极界面材料及器件应用方面的研究进展,并对水/醇溶共轭聚合物阴极界面材料在聚合物发光二极管和聚合物太阳电池中的工作机理进行了探讨.     

水醇溶性小分子卟啉衍生物的合成及其在聚合物太阳电池中的应用

设计合成了Por-N, Por-NBr, Por-Cu-N和Por-Cu-NBr四种水醇溶性小分子卟啉衍生物. 对这类卟啉小分子衍生物的紫外可见吸收光谱研究表明, 基于金属铜配位的卟啉小分子衍生物较未配位化合物有微弱的蓝移. 循环伏安法对这类小分子卟啉衍生物的研究表明, 基于金属铜配合物的卟啉衍生物的最高占有分子轨道能级均没有明显变化. 采用空间电荷限制电流方法对小分子卟啉衍生物的研究表明, 基于金属铜配位的卟啉小分子衍生物的电子迁移率得到明显提高. 以聚合物PCE10为给体材料, 富勒烯衍生物PC₇₁BM为受体材料, 以及合成的小分子卟啉衍生物为阴极界面层制备了结构为ITO/PEDOT:PSS/PCE10:PC₇₁BM/卟啉小分子衍生物/Al的聚合物太阳电池器件. 器件研究结果表明, 化合物Por-NBr, Por-Cu-N与Por-Cu-NBr作为电子传输层的器件的光电转换效率达到9%以上, 其中以Por-Cu-N作为阴极界面层的器件达到的最高效率为9.12%, 相应器件的短路电流密度, 开路电压以及填充因子分别为16.91 mA· cm^-2, 0.79 V和68.1%. 表明这类水醇溶性小分子卟啉衍生物作为聚合物太阳电池的阴极界面层有着广阔的应用前景.     

无机材料在有机太阳能电池中的应用

无机材料电子迁移率高、光谱响应范围与太阳光谱匹配,而有机材料价格低廉、合成方法简单、容易制作在基底上,因此在太阳能电池中具有更广阔的应用前景。 目前,阻碍有机太阳能电池发展的主要原因是材料的载流子迁移率低、器件稳定性差、吸收光谱与太阳光谱不匹配,导致光电转换效率较低。 若能将有机、无机材料二者的优点相结合,将可提高有机太阳能电池的能量转换效率。 目前的研究已经取得了一定进展,无机材料在受体层、阴极缓冲层、阳极缓冲层中的应用均不同程度地提高了有机太阳能电池的能量转换效率。 本文综述了目前该领域的研究现状,并对今后的研究提出了展望。     

高效率有机太阳能电池的界面工程研究

有机太阳能电池(OSC)为典型的三明治结构,是以共轭类有机化合物为活性层材料将太阳光转换为电能,通过两个电极输出电流。这些有机物具有来源广、质量轻和可再生等优点,使得有机太阳能电池在清洁新能源领域备受关注。当前研究的焦点仍然是提高电池的光电转换效率,主要通过改善活性层材料、优化器件结构和界面修饰等途径。本文重点介绍了作者课题组在界面工程方面所做的代表性工作,通过引入含磺酸基团或羧酸基团的超支化结构的聚合物阴极修饰层材料,获得了高效的OSCs;合成了新颖的非共轭有机小分子电解质修饰层,制备了高达10.02%效率的单结正型OSCs。此外,还研究了简单的极性溶剂处理,如甲醇能够优化活性层形貌,提高电池器件的性能。     

用于聚合物太阳能电池的芳香亚胺类阴极修饰材料及其研究进展

聚合物太阳能电池作为一种新型太阳能电池,具有质量轻、成本低、易于大面积制备等突出优势,在学术界和工业界引起了广泛关注.近年来,聚合物太阳能电池能量转换效率提高迅速,单结器件效率值已超过17%.在器件优化中,构建高效阴极有机修饰层成为提高光伏器件效率与稳定性的重要策略之一.芳香亚胺类阴极修饰材料因具有大共轭平面、优异的电子传输性能、丰富的化学修饰位点以及合适的能级等特点近年来备受关注.本文简单介绍了阴极修饰层材料的功能,总结和评述了苝酰亚胺和萘酰亚胺类阴极修饰材料的研究进展,最后结合实际应用的要求展望了这类材料的未来发展趋势与前景.     

用于高分子太阳能电池的石墨烯量子点电极界面材料

高分子太阳能电池中的电极界面层对于器件性能十分重要,开发新型电极界面材料是提高器件性能的有效方法.不同于传统的电极界面材料(导电高分子、无机氧化物、金属及其盐、高分子电解质等),我们发展了石墨烯量子点电极界面材料体系.与氧化石墨烯相比,边缘羧基化的石墨烯量子点(EC-GQD)的氧官能团种类单一,因此具有化学修饰可控、性质容易调节的特点,作为阳极/阴极界面材料能实现更高的器件性能.EC-GQD自身具有高功函、成膜性好的特点,作为阳极界面材料,器件性能优异;通过对EC-GQD边缘的羧基进行化学修饰,引入碱金属离子、季铵盐或极性基团,可实现电极功函的大幅度降低,因此我们开发出多种低功函的阴极界面材料.本文系统介绍了边缘羧基化石墨烯量子点衍生物的结构特征、化学修饰及其作为电极界面材料在高分子太阳能电池中的应用.     

有机及有机无机杂化太阳电池中的界面研究

第3代可溶液加工的太阳电池(包括有机太阳电池、钙钛矿太阳电池等),因为制备成本低、可制备柔性器件等特点备受关注.它们的迅速发展与活性层材料、界面材料与修饰以及器件工程等方面的快速发展息息相关,其中器件中的各个界面对激子的分离、载流子传递和收集有着巨大的影响,影响着器件的性能.本文重点介绍了近年来我们课题组在有机太阳电池、聚合物/量子点杂化太阳电池以及钙钛矿太阳电池研究中,如何设计界面材料以及通过自组装层对电极进行界面修饰,实现活性层和电极之间的欧姆接触和载流子的有效收集;如何在界面层中引入具有等离激元效应的纳米粒子实现光场的有效利用和性能的提升;以及如何对聚合物和纳米粒子间的界面修饰实现载流子的高效分离,制备高性能的杂化太阳电池器件.     

掺杂型有机太阳电池的研究进展

在有机太阳电池中,掺杂对改善电池的性能起着重要的作用。本文详细分析了器件的掺杂类型、掺杂不同材料对器件的能量转化效率、寿命以及稳定性的影响,综述了国内外相关研究成果。结果表明,给、受体掺杂能够提高光吸收和激子解离效率以及电子或空穴的迁移率,此外,通过阴、阳极缓冲层掺杂可以调整缓冲层的能级以及增大其导电性。笔者希望通过本文为其他掺杂材料在有机太阳电池中的成功应用提供有益的实验思路。     

胺基功能化咔唑共轭聚合物的合成及其光电性能研究

发展了新型含有胺基的支化烷基修饰的咔唑单元,并且与芴、咔唑、苯等单元通过Suzuki偶联反应共聚得到不同主链结构的水/醇溶共轭聚合物界面修饰材料,研究了主链结构的变化对材料光物理、电化学性能的影响.所有聚合物均被用作阴极界面材料应用于器件结构为ITO/PEDOT：PSS/P-PPV/界面层/Al的聚合物发光二极管中.在相同器件制备条件下,系统比较了不同主链结构的界面修饰材料在器件中的性能,并研究了性能差异的原因.器件研究结果表明,在高功函数金属Al阴极的聚合物发光二极管中,含胺基功能化咔唑单元的水/醇溶共轭聚合物材料由于界面偶极的形成,均表现出很好的电子注入/传输性能,与之对应的器件性能得到大幅提升.