聚合物太阳能电池中载流子复合与传输机制及器件特性的研究

摘要

聚合物太阳能电池中的物理过程对器件效率的提升具有重要的指导意义，在聚合物:富勒烯器件中，载流子复合、传输及收集的分析对其光伏特性的改善是十分重要的;复合过程中给体受体界面处的电荷转移态(Charge Transfer State，CTS)复合与器件的开路电压(Voc)及短路电流（Jsc）直接相关;活性层与电极之间的界面修饰可以改善载流子的传输与收集，从而提高器件特性。
　　本论文中，首先通过外量子效率光谱响应(EQE)及电致发光(EL)探测了聚合物太阳能电池的电荷转移态吸收与复合发光，发现除了给体材料和受体材料的EQE及EL特征外，出现了更低能量的CTS特征响应，且此CTS特征响应与给体材料和受体材料各自的最高占有轨道(HOMO)及最低未占有轨道(LUMO)能级差的变化趋势通常是相一致的。另外，利用精细平衡理论，研究了电荷转移态响应中EQE与EL的联系，通过EL光谱理论计算而得的EQE曲线与实际测量的曲线相吻合。随后通过电荷转移态EQE及EL计算了器件的理论开路电压值，计算的开路电压结果与实际测量的有一定差距，在0.3～0.45 V之间，但是已经与实际结果接近。通过电致发光外量子效率(QLED)及特征能量(Ech)对开路电压的计算进行了修正，使得计算结果与实验值最大偏差缩小到0.15 V左右。研究了不同外加电压（注入电流）下，器件CTS复合EL峰值位置的变化，发现实际测量到的EL峰值位置随注入电流的变化比理论分析值要小。其可能的原因为，靠近准费米能级处低能态的载流子不容易移动，需要通过去陷(detrapping)过程，抬高其中的一个电子或者空穴到更高的载流子可以自由移动的能级，移动之后与另外相应的载流子复合而发光。
　　借助于电容-电压测试，研究了缓冲层对聚合物太阳能电池中载流子传输与复合的影响。介绍了聚合物太阳能电池中的电容-电压(C-V)特性,并从载流子传输及界面势垒两方面分析了其对C-V曲线的影响。研究了MoO3及NPB修饰层对器件特性的影响，适当厚度的修饰层可以改善器件的载流子传输和减小界面注入势垒，从而提高器件的短路电流及开路电压。过厚的修饰层增加器件串联电阻，阻挡载流子的注入与收集，引起载流子在器件内的大量复合。借助C-V测试研究了修饰层对载流子复合及收集的影响，适当厚度的修饰层改善载流子收集。初步研究了器件Voc与VCmax之间的关系，通过理论分析及实验我们发现，器件的Voc表示器件中的载流子复合与产生相等，VCmax表示载流子的复合超过电子在给体材料LUMO状态密度函数的积累，两者大小接近但存在差异。
　　研究了聚合物太阳能电池中的界面复合及对器件特性的影响。首先，对比了双层结构与体异质结结构器件的J-V及QLED随注入电流的变化。由于双层结构不利于激子的解离，所以短路电流较体异质结的都小。研究了载流子迁移率对QLED的影响，实验发现材料的载流子迁移率越高，越可能发生电子与空穴在金属电极处的猝灭。初步研究了器件Jsc与QLED的关系，电荷转移态电致发光的QLED代表了电子空穴的复合程度，复合程度越小，被外电路所收集的载流子越多，EQE的值就会大，器件的短路电流越高（在不考虑材料的光响应范围的话）。值得注意的是，对于开路电压而言，需要器件中的辐射发光占全部复合过程比例越多越好，即希望大的QLED，但是对于器件的短路电流而言，需要器件中的载流子复合尽可能小，即小的QLED，所以对于器件的QLED，存在最佳值。

目录

声明

致谢

摘要

序言

1 引言

1．1 聚合物太阳能电池研究背景

1．2 聚合物太阳能电池的工作机理

1．2．1 激子的产生

1．2．2 激子的扩散

1．2．3 激子的解离及电荷转移态

1．2．4 载流子的传输

1．2．5 载流子的收集

1．3 聚合物太阳能电池的器件结构及常用材料

1．3．1 单层与双层结构

1．3．2 体异质结结构

1．3．3 叠层与三元结构

1．3．4 其他结构的聚合物太阳能电池

1．3．5 聚合物太阳能电池的常用材料

1．3．6 钙钛矿太阳能电池

1．4 聚合物太阳能电池的主要特性参数及其影响因素

1．4．1 短路电流

1．4．2 开路电压

1．4．3 填充因子

1．5 聚合物太阳能电池的计算模型简介

1．5．1 载流子的漂移、扩散及复合

1．5．2 空间电荷限制电流(SCLC)

1．5．3 精细平衡理论(Detailed balance theory)

1．6 聚合物太阳能电池的表征手段

1．7 本论文的基本研究内容

2 聚合物太阳能电池电荷转移态复合的研究

2．1 体异质结结构聚合物太阳能电池的电荷转移态表征

2．1．1 不同聚合物：富勒烯太阳能电池的电荷转移态光谱响应

2．1．2 不同聚合物：富勒烯太阳能电池的电荷转移态复合电致发光

2．1．3 电荷转移态EQE光谱响应与电致发光之间的联系

2．2 电荷转移态与器件开路电压的关系

2．2．1 相关的计算方法

2．2．2 通过电荷转移态发光光谱及EQE计算器件开路电压

2．3 不同外加电压下电荷转移态电致发光光谱的变化

2．3．1 模拟不同外加电压下EL的变化

2．3．2 不同外加电压下聚合物：富勒烯太阳能电池的电致发光

2．4 本章小结

3 缓冲层对器件载流子传输与复合的影响

3．1 半导体器件中的电容特性

3．2 MoO3对ZnO／MEH-PPV太阳能电池载流子传输的影响

3．2．1 器件的制备

3．2．2 器件的J-V特性

3．2．3 通过电容-电压测试研究MoO3修饰层对载流子输运的影响

3．3 NPB对ZnO／MEH-PPV太阳能电池载流子传输的影响

3．3．1 器件结构与制备

3．3．2 器件的J-V特性

3．3．3 NPB对空穴传输的影响

3．3．4 通过C-V测试研究NPB修饰层对载流子输运的影响

3．4 NPB对反型结构聚合物太阳能电池载流子传输的影响

3．4．1 器件制备方法及结构

3．4．2 实验结果及分析

3．5 Voc与VCmax关系的初步研究

3．5．1 器件的开路电压

3．5．2 器件的VCmax

3．5．3 Voc与VCmax关系的初步研究

3．6 本章小结

4 聚合物太阳能电池中的界面复合及对器件特性的影响

4．1 双层结构与混合异质结结构器件的特性比较

4．1．1 器件制备

4．1．2 双层结构与体异质结结构器件的J-V

4．1．3 双层结构与体异质结结构器件的电致发光

4．1．4 聚合物电池中载流子迁移率对界面复合的影响

4．2 电荷转移态界面复合QLED与器件特性的联系

4．2．1 器件的制备与J-V特性

4．2．2 器件的电荷转移态电致发光与外量子效率光谱响应

4．2．3 器件的QLED对比

4．3 本章小结

5 结论

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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