金属/聚合物界面结构及其与聚合物太阳能电池性能的联系

摘要

聚合物太阳能电池由于具有制备工艺简单、质量轻、成本低、易制成大面积柔性器件等优势，成为目前太阳能电池研究领域的热点。近些年来，聚合物太阳能电池的研究取得了很大的进展。但是，现阶段的聚合物太阳能电池仍然存在效率低和稳定性差的问题，导致难以推广使用，因此如何提器件的高能量转化效率和稳定性是实现商业化应用的关键。在这些器件中，通常应用低功函数金属作为器件的阴极收集来自活性层的电子。在器件制备时，通过热蒸发的方式沉积在有机活性层表面的金属电极不仅会扩散进入聚合物薄膜内部，还会与聚合物材料发生强烈的化学相互作用。此外，金属电极与聚合物之间的界面性质亦会对聚合物太阳能电池中激子分离、传输、收集和复合等过程产生重大的影响，最终影响到电池的能量转化效率和稳定性。因此，深入地了解金属/聚合物间的界面性质和精确地调控界面结构是制备高性能的聚合物太阳能电池的关键。
　　基于以上研究背景，本论文从金属/聚合物界面入手，通过多种表面分析方法原位研究了金属/聚合物的界面结构及其与聚合物太阳电池性能的联系:利用X射线光电子能谱(XPS)、真空紫外光电子能谱(UPS)、高分辨率的同步辐射光电子能谱(SRPES)、近边X射线吸收精细结构谱(NEXAFS)、吸附量热和粘附几率测量方法对金属在聚合物界面处的化学反应和扩散情况进行了详细地研究;通过低温沉积的的方法对金属/聚合物的界面结构进行了调控;利用瞬态光伏(TPV)和载流子提取法(CE)研究了金属电极对聚合物太阳能电池中的载流子寿命、浓度和复合速率的影响。这些研究结果将器件中的界面性质和器件的性能联系在一起，为进一步提高器件性能提供了指导。本论文的主要开展了如下的工作:
　　(1)选用目前广泛应用于工业生产中的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和在聚合物太阳能电池中常用作电极的金属Ca作为金属/聚合物界面研究的模型体系。通过XPS和NEXAFS详细地研究了室温条件下金属/聚合物界面处的化学反应情况。O1s，C1s，和Ca2p芯能级谱图随着Ca沉积量增加发生了显著的变化，这一现象直接地表明了在低覆盖度时，金属Ca优先与PMMA分子中的酯基发生化学反应，并伴随着C-O键的断裂失去甲基而生成羧酸盐。O的K边NEXAFS谱图的变化情况进一步明确了PMMA分子中的酯基作为反应活性位与金属Ca反应。在本实验中，XPS和NEXAFS的实验结果互相印证，并结合吸附量热结果清楚地确立了Ca与PMMA的反应机制。
　　(2)通过低温沉积的方法对金属/聚合物界面的化学反应和扩散深度进行了调控。我们利用吸附量热技术、粘附几率测量方法以及XPS研究了低温沉积对Ca/PMMA界面结构的影响。研究发现在低温条件下(90K)，Ca在PMMA上的扩散深度明显减小，而且化学反应程度显著减弱。在300K时，界面反应深度为2.5 nm（5.4个分子层），然而在90K时，界面反应深度小于0.3 nm（0.6个分子层）。因此，低温沉积的方法可以有效地抑制化学反应并减弱扩散深度，从而得到“平直”的界面。我们认为低温沉积方法可以应用于聚合物太阳能电池中实现对金属电极/聚合物界面结构的精确调控。
　　(3)我们分别以Ca/Al和Al作为电极制备了基于PCDTBT(poly[N-9

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 聚合物太阳能电池的发展历程

1．3 聚合物太阳能电池的器件结构

1．4 聚合物太阳能电池材料的发展

1．5 聚合物太阳能电池的工作机理

1．6 聚合物太阳能电池的性能表征

1．7 聚合物太阳能电池的界面研究

1．7．1 界面扩散

1．7．2 界面化学反应

1．7．3 界面修饰

1．7．4 界面载流子复合

1．8 选题背景和研究内容

参考文献

第2章 实验方法与原理

2．1 引言

2．2 同步辐射基本原理

2．3 光电子能谱的基本原理与方法

2．3．1 光电子能谱的基本原理

2．3．2 XPS、UPS和SRPES简介

2．4 NEXAFS基本原理及实验方法

2．4．1 NEXAFS的产生机理

2．4．2 角分辨NEXAFS

2．4．3 NEXAFS的实验方法

2．5 吸附量热技术

2．5．1 吸附量热技术的发展

2．5．2 吸附量热技术的原理

2．6 原子力显微镜

2．7 实验装置介绍

参考文献

第3章 Ca／PMMA界面相互作用的研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 PMMA薄膜样品的制备

3．2．2 Ca／PMMA界面的测量

3．3 结果与讨论

3．2．1 清洁PMMA薄膜研究

3．2．2 Ca／PMMA界面研究

3．4 本章小结

参考文献

第4章 Ca／PMMA界面的温度调控研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．3 实验结果

4．3．1 粘附几率的测量

4．3．2 吸附量热的测量

4．3．3 光电子能谱的测量

4．4 讨论部分

4．5 本章小结

参考文献

第5章 电极／PCDTBT的界面研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 聚合物太阳能电池的制备

5．2．2 聚合物太阳能电池的性能测试

5．2．3 角分辨NEXAFS

5．2．4 同步辐射光电子能谱

5．3 瞬态光伏测试技术

5．3．1 瞬态光伏的基本原理

5．3．2 瞬态光伏设备的搭建

5．3．3 数据处理

5．4 实验结果与讨论

5．4．1 PCDTBT分子取向

5．4．2 器件性能

5．4．3 载流子复合速率常数的测量

5．4．4 电极／PCDTBT界面相互作用

5．4．5 能带结构

5．5 本章小结

参考文献

第6章 总结和展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果