基于聚合物太阳能电池中金属/聚合物界面结构与性能的研究

【摘要】：由于面对能源危机,环境为污染的问题,新能源的出现和发展就势在必行。有机太阳能电池就在这种情况下产生并且迎来了很大的发展。然而,与无机太阳能电池相比,其光电转化率较低,最近有文献报道的新研发的最高转化效率仅有12%；另外,它还有使用寿命短,稳定性差、不能大规模生产等缺点。有机太阳能的发展给有机半导体带来了重大机遇,并且基于有机半导体的研究从表面到与其他材料构成的界面而实现了研究的多样化。这些界面与有机器件中载流子的提取,传输,复合湮灭等等过程都有着密切的关系,熟知这些关系将有助于我们设计和优化界面的结构来获得性能更加优异的,更加稳定的聚合物器件。本研究工作中我们选用的聚合物poly[(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-co-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole] APFO_3是最近几年新研发出来的一种窄带隙的聚合物,常被用来作为研究有机太阳电池机理的重要材料,也希望通过建立基于此的标准界面模型为有机太阳能电池提供理论指导。通过在超高真空系统中用光电子能谱原位表征的方法,原位研究了金属电极Ca和Al在其上沉积过程在界面处所发生的一些化学反应和电子结构的变化。这些重要的研究总结如下：(1)通过把同步辐射光电子能谱(SRPES)和X射线光电子能谱(XPS)这两种对表面灵敏程度不同的表征方法相结合,来详细研究金属Ca在APFO_3上随着沉积厚度的增加的一系列变化情况。结果发现,当金属Ca在室温下在聚合物APFO_3表面沉积,Ca原子会向聚合物APFO_3薄膜内部扩散且注入电子,这导致了金属Ca和聚合物APFO_3形成的界面能带弯曲的出现。更进一步地,Ca扩散进入聚合物APFO_3薄膜的次表层与其中的N,C,S原子发生化学反应,形成CaS和Ca-C的组成物。同时通过测试原位过程的价带谱结合芯能级的变化,得到了Ca/APFO_3的能级结构图。近边吸收精细结构谱(NEXAFS)被用来研究聚合物APFO_3的薄膜分子取向,结构表明APFO_3分子与表面呈现一个夹角为的43°分子取向。并且F8和BT在同一个平面内。(2)进一步研究金属电极(Ca和Al)和APFO_3界面的电子结构和化学反应,为基于此窄带隙的给体共轭聚合物的太阳能电池的制备提供理论支持。界面的能带结构阐明了金属Ca和Al与APFO_3的界面会产生强烈的界面偶极,其能够促进电子的提取并且阻碍空穴在金属／聚合物界面的传输,使得界面的载流子复合受到抑制。金属／聚合物体系化学反应的发生,可能直接影响二者在界面的电子传输。为更加深入地研究,可以尝试在金属电极和聚合物层之间加入一层界面层(缓冲层)以减少金属与聚合物间的化学反应,还能起到调节界面的电子结构等作用。 【关键词】：聚合物太阳能电池 金属/聚合物界面 同步辐射光电子能谱 X射线光电子能谱 近边 X射线吸收精细结构 能级匹配 界面偶极
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-34
• 1.1 引言10-12
• 1.2 聚合物太阳能电池的结构和工作机理12-14
• 1.3 聚合物太阳能电池中材料研究14-18
• 1.4 聚合物太阳能电池中的界面研究18-25
• 1.4.1 聚合物太阳能电池中聚合物表面形貌及其分子取向的研究18-20
• 1.4.2 聚合物太阳能电池中聚合物与金属电极界面的研究现状20-25
• 1.5 用同步辐射原位研究聚合物太阳能电池25-27
• 1.6 本论文的选题背景和研究内容27-28
• 参考文献28-34
• 第2章 实验原理及方法34-48
• 引言34-35
• 2.1 光电子能谱的基本原理与方法35-38
• 2.1.1 光电子能谱的基本原理35-36
• 2.1.2 XPS,UPS和SRPES简介36-38
• 2.2 近边X射线吸收精细结构(NEXAFS)的基本原理及实验方法38-41
• 2.2.1 NEXAFS的产生机理和实验方法38-40
• 2.2.2 角度变化的NEXAFS40-41
• 2.3 样品的制备41-43
• 2.3.1 旋涂方法及仪器41-42
• 2.3.2 聚合物薄膜的制备42-43
• 2.4 实验装置介绍43-45
• 2.4.1 合肥国家同步辐射实验室和催化与表面科学实验站实验站43-44
• 2.4.2 台湾同步辐射中心和光电子能谱站44-45
• 参考文献45-48
• 第3章 Ca/APFO3界面的电子结构与化学反应的研究48-62
• 3.1 引言48-49
• 3.2 实验部分49
• 3.2.1 样品制备49
• 3.2.2 实验表征49
• 3.3 结果与讨论49-56
• 3.3.1 清洁APFO3薄膜的表征49-51
• 3.3.2 在Ca/APFO3界面的化学反应51-54
• 3.3.4 在Ca/APFO3界面的电子能级排布54-56
• 3.4 本章小结56-57
• 参考文献57-62
• 第4章 Al/APFO3界面的电子结构与化学性能研究62-74
• 4.1 引言62-63
• 4.2 实验部分63-64
• 4.3 实验结果与讨论64-69
• 4.3.1 在APFO3和金属电极形成的界面的化学反应64-68
• 4.3.2 金属电极和APFO3形成的界面的能级结构排布图68-69
• 4.4 本章小结69-71
• 参考文献71-74
• 第5章 总结与展望74-76
• 5.1 总结74
• 5.2 展望74-76
• 致谢76-78
• 在读期间发表的学术论文及取得的其他研究成果78

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