有机光伏器件的界面能级排列及电荷分离机制的研究

摘要

近些年来,有机光伏器件由于其具有成本低，材料容易设计合成，可做成大面积，制备过程简单等优点引起了越来越多的关注。光伏电池作为清洁可再生的能源可有效缓解当前社会的能源需求，具有很大的应用前景。在有机光电器件中，有机/有机和有机/无机界面对器件的性能和工作寿命有重要的影响。虽然我们在器件的广电效率方面取得重大进展，但由于在有机界面中存在界面偶极、能带弯曲、界面缺陷态等现象，传统的无机半导体理论不能完全适用于有机界面，对有机界面的物理机制缺乏清晰的认识，限制了有机光电器件的进一步发展，因此我们有必要对有机界面进行深入的研究，进一步理解其深层的物理机制。
　　本论文主要利用光电子能谱技术（包括UPS和XPS），研究了有机/无机，有机/有机界面能级排列以及界面电荷的分离及传输机制。研究基于钙钛矿和有机光伏电池，讨论了界面能级排列对电荷在界面分离的影响，并且，我们通过调控基底功函数来实现改变有机界面的能级与分子结构。最后，通过对有机材料的掺杂和变温处理，分析了有机材料的电荷传输特性。其主要内容包括：
　　（1）首先我们研究了基于钙钛矿电池结构，有机/无机杂化界面对电荷分离的影响。通过 UPS和 XPS探测技术，我们分析了钙钛矿/空穴传输材料（perovskite/HTM）界面的能级排列与电子结构。实验以CH3NH3PbIBr2钙钛矿材料为基底，Spiro-OMeTAD，NPB，F16CuPc，HATCN，MoO3等作为空穴传输材料，实验发现，perovskite/HTM之间的空穴取出能级势垒可以通过改变空穴传输材料来调控，从而达到优化界面能级排列，提高界面电荷分离效率的目的。
　　（2）接下来，我们发现，在优化界面能级排列的过程中，界面能级的匹配不仅受到材料本身能级的影响，其他因素同样起着决定性的作用，比如，基底功函数，界面分子结构，无序诱导的缺陷态的贡献。本章节我们研究了基底能级对F16CuPc/C60界面以及 TiOPc/C60界面的影响。随着基底功函数从小到大的改变，F16CuPc费米能级在带隙内从 LUMO能级处移动到 HOMO能级，同时，F16CuPc/C60界面能级排列也发生变化。与F16CuPc材料不同的是，极性分子TiOPc表现出不同的变化，TiOPc材料的界面能级不会随着基底材料的变化而改变，基于 TiOPc/C60的界面能级排列没有受到基底效应的影响。不论在任何基底上，TiOPc/C60界面能级排列均保持不变。
　　（3）最后我们对材料的电荷传输特性进行了研究，通过碱金属化合物CsN3，Cs2CO3，CsF对电子传输材料Bphen的掺杂，我们发现在碱金属材料和有机物之间存在不同程度的相互作用和电子转移，这导致了掺杂过程中能级上的不同变化。我们对掺杂后的材料进行了电学表征，数据证明，碱金属的掺杂提高了有机材料的迁移率和载流子浓度，随着温度的升高，电导率会提升。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2有机光伏器件介绍

1.3 光电子能谱技术介绍

1.4 本论文主要工作

1.5 参考文献

第二章 相关理论与实验技术介绍

2.1 相关理论介绍

2.2实验相关仪器设备

2.3 样品的制备过程和测量

2.4 参考文献

第三章 基于钙钛矿电池的有机/无机杂化界面研究和电荷分离机制研究

3.1 引言

3.2钙钛矿薄膜CH3NH3PbIBr2退火研究

3.3 CH3NH3PbIBr2/HTMs界面能级排列和电子结构

3.4 CH3NH3PbIBr2/HTMs界面能级排列和电荷分离机制分析

3.5 本章小结

3.6 参考文献

第四章 基底效应对有机光伏器件中界面能级调控和电荷分离机制的影响

4.1 引言

4.2 基于非极性分子F16CuPc的基底效应和界面电荷分离机制研究

4.3 极性分子TiOPc

4.4 本章小结

4.5 参考文献

第五章 碱金属材料的掺杂对电荷传输性能的影响

5.1 引言

5.2 碱金属材料的掺杂对能级的调控

5.3 碱金属材料的掺杂对电子传输特性的影响

5.4 本章小结

5.4 参考文献

第六章 全文总结与展望

6.1全文总结

6.2 未来工作展望

攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文

致谢