摘要：目前的能源结构使得我们严重依赖于化石燃料,但是化石燃料是一种不可再生的资源,同时燃烧化石燃料造成了严...目前的能源结构使得我们严重依赖于化石燃料,但是化石燃料是一种不可再生的资源,同时燃烧化石燃料造成了严重的环境污染问题。严峻的形势迫使我们必须大力开发和利用零排放的清洁能源。有机太阳能电池具有轻质、柔性、可大面积印刷加工等优点吸引了全世界很多课题组的研究兴趣。这一技术也被认为是最有希望解决目前能源危机的途径之一。小分子太阳电池是有机电池领域的重要分支。目前,基于小分子的有机太阳电池的效率已经超过了11%。除了从材料合成角度上获得吸收光谱覆盖范围广、消光系数强、能级合适、结构有序的小分子材料,在电池制备过程中对电池器件活性层形貌的调控也对器件性能有着非常重要的影响。一般来说,良好的活性层形貌不仅能够为激子的分离及载流子的产生提供足够的场所,同时又能为载流子传输提供有效的通道。本论文的研究主要可以分为三个部分:第一部分是研究在不同工艺处理的条件下,活性层以及电池器件的光学性能、形貌、电学性能的变化,并揭示了活性层内部结构与器件性能之间的关系。第二部分主要是通过在二元电池体系中加入第三组份制备三元电池器件,在单层器件的基础上发展来的三元电池可以实现宽光谱响应范围、低能量损失。我们通过一系列的表征手段,证明了三元体系中的第三组份的加入对体系中材料能级、材料表面能、电荷转移、FRET能量转移、诱导共结晶、结晶取向、相分离的影响。并系统地解释了这些变化对三元电池器件性能的影响。第三部分根据有机光电探测器的特性,从材料设计和器件制备调控出发,减少探测器的噪声电流、增强探测器的电流响应度以达到提高器件光电探测率的目的。具体研究工作包括以下几章:第二章中,我们制备了基于卟啉小分子材料的正装太阳能电池器件,并在此基础上系统地研究了热退火、溶剂退火对活性层形貌的影响。在优化的氯仿溶剂作用下,活性层中的卟啉分子形成了紧密的堆积,对比于不做后处理的活性层,溶剂退火下的空穴迁移率呈现了一个数量级的增长。同时优化后的活性层有着合适的相分离尺度以及良好的相分离纯度。最终我们获得了超过10%光电转换效率的小分子电池器件。同时卟啉分子在不同溶剂退火下也会呈现不同的分子结晶形式以及相分离。我们使用二硫化碳对基于双卟啉的活性层器件进行溶剂退火处理,二硫化碳溶剂会诱导卟啉分子产生J-聚集,于是薄膜的吸收发生了明显的红移并且伴随着消光系数的显著增长。通过GIXD、AFM、TEM和RSoXS表征薄膜形貌,用二硫化碳溶剂处理后活性层中的卟啉分子堆积更加紧密,且活性层形成了纤维状的互穿网络结构。因此我们制备了短路电流大于22 mA cm-2的电池器件。第三章中,我们制备了基于卟啉小分子给体材料DPPEZnP-O与聚合物给体材料PTB7的三元太阳能电池器件。尽管卟啉材料DPPEZnP-O的起始吸收已经到达900纳米处,但是基于该卟啉材料在550-650纳米处有一个明显的吸收谷。DPPEZnP-O和PTB7这两个材料存在明显的互补吸收,因此可以通过制备三元共混薄膜的方法增强电池的吸收。实验结果显示,相比于PTB7的二元电池,三元电池器件的短路电流明显提高,因此器件的PCE从7.47%明显地提高到8.39%。此外,三元体系的填充因子依旧保持和二元电池器件差不多的水平,这证明第三组份的加入并没有破坏体系的激子分离和电荷传输。第四章中,我们制备基于两个相同主链的卟啉给体材料的全小分子三元体系,得到的三元电池的器件效率为10.17%。相对于二元电池,三元电池的短路电流和填充因子都明显提高。尽管这两个材料的吸收没有明显的区别,如果只从吸收考虑,这两个材料并不是理想的三元电池的组合。但是因为DPPEZnP-TBO和DPPEZnP-BzTBO有着相同的分子主链以及相似的化学结构,因此在三元体系中两个卟啉可以在分子水平上充分的共混。此外DPPEZnP-TBO具有较高HOMO能级,因此该分子可以发挥空穴传递作用以促进电荷传输。利用GIXD和RSoXS表征共混薄膜发现,当DPPEZnP-TBO掺杂比例小于20%的时候,三元薄膜的分子堆积主要采取DPPEZnP-BzTBO的堆积形式,DPPEZnP-TBO以非晶形态存在于DPPEZnP-BzTBO的无定形区并形成合金。这表明在低的掺杂比例下,DPPEZnP-TBO可以结合到DPPEZnP-BzTBO框架中而不影响分子堆积或驻留在无定形区形成分子混合物。第五章中,我们制备了基于一个聚合物给体PBDB-T以及两个非富勒烯受体ITIC和IDT-T的三元太阳能电池,优化后的三元电池器件的PCE达到了12.22%。相对于二元电池,三元电池的短路电流、开路电压、填充因子都明显提高。通过荧光光谱以及时间分辨荧光光谱的测量,我们证明了在IDT-T与ITIC之间存在明显的能量转移,同时瞬态吸收的实验证明了IDT-T的加入加速了体系中空穴的传输效率。体系中存在的能量转移过程以及增强的电荷传输有利于增强器件在长波长区域的EQE以及填充因子。同时我们发现ITIC和IDT-T之间的结构相似性使得两个受体之间具有很好的共混性,GIXD测试证明了在特定的受体掺杂比例下会引起两个电子受体分子的共结晶。IDT-T在三元体系中的多重功能协同作用使得相应的三元电池器件性能显著提高。第六章中,通过延长卟啉衍生物共轭长度以及精确的形貌调控提高器件的光谱响应强度和范围、减少器件的暗电流,因此我们制备了在0偏压下的暗电流密度为4.25×10-10A/cm2,在850纳米处外量子效率大约为48.0%、探测率的值为5.73×1013 Jones的有机红外光探测器。此外器件的探测率在360纳米到950纳米的范围内都超过了1013 Jones,这是目前基于小分子近红外光电探测器最好的性能。更多还原显示全部
