极性共轭聚合物在聚合物太阳电池中作为阴极界面层的作用机理研究

Alcohol soluble neutral polar conjugated polymers (NPCPs) as cathode interlayers have attracted considerable attention because they not only effectively increase the device efficiency but also can be processed by easy and environmentally friendly solutions in polymer optoelectronic devices. Though NPCPs have been successfully used in many polymer solar cells (PSCs) and some explanations have been proposed, exact mechanism of their function as a cathode interlayer is not very clear so far. In order to further develop NPCPs and their applications in PSCs, it is necessary to carry out more intensive studies to reveal the working mechanism of an NPCP ultrathin film between active layer and cathode in PSCs. Hereby we shall invesigate active layer/NPCP/metal interface in a real PSC by means of a novel peel-off technique. Combined ultraviolet photoemission spectroscopy (UPS), x-ray photoemission spectroscopy (XPS) and near edge x-ray absorption fine structure (NEXAFS) techniques will provide important information of the interfacial properties such as energy level alignment, interface dipole, chemical structures, interactions of NPCPs and cathode (or active layer) as well as the molecular orientations. As a result the spectroscopic findings can explain effects of the NPCP ultrathin film as a cathode interlayer on device performance of PSCs. We pursue better understanding the electronic and chemical properties of the interfaces between various NPCPs and cathode vacuum-deposited (or active layer). It is expected to obtain insights for the working mechanism of the NPCPs as a cathode interlayer in PSCs and provid a basis for rational designs of NPCP molecules and device architectures from our work..

使用醇溶解的电中性极性共轭聚合物（NPCPs）作为阴极界面层可大幅提高聚合物太阳电池（PSCs）等器件性能。该方法简单易行、环境友好且具有普适性，所以引起高度关注。目前人们对NPCPs在PSCs中的作用机理已提出一些观点，但还有许多未解决的问题，仍需进行深入研究,以进一步发展NPCPs材料和它们在PSCs中的应用。在本申请中我们将采用创新的薄膜剥离技术对真实PSCs中的活性层/NPCP/金属界面进行研究。紫外光电子能谱、X射线光电子能谱和近边X射线吸收精细结构谱的共同使用将对这个复合界面的能级排列、界面偶极、化学结构及层与层之间的物理、化学相互作用和分子取向给予全面地描述，解释NPCP层的引入对器件性能参数的影响。通过对各种NPCPs与活性层及金属界面电子与化学结构的系统研究与深入认识，揭示NPCPs作为阴极界面层的具体作用机理，为新型NPCPs材料设计和器件结构优化提供指导。

使用醇/水溶性的极性共轭聚合物（PCPs）或小分子作为阴极界面层(CIL)可大幅提高聚合物太阳电池（PSCs）等器件性能。该方法简单易行、环境友好且具有普适性，所以引起高度关注。目前人们对PCPs在PSCs中的作用机理已提出一些解释，但确切的作用机理仍需进行深入研究,以进一步发展新型的CIL材料和它们在PSCs中的应用。在本项目中我们首先以PFN作为PCPs的代表，采用了创新的薄膜剥离技术对正式PSCs中的PC71BM/PFN/金属界面及反式PSCs中的ITO/PFN/PC71BM界面进行了研究。紫外光电子能谱（UPS）、X射线光电子能谱（XPS）和近边X射线吸收精细结构谱的共同使用对这些复合界面的能级排列、界面偶极、化学结构及层与层之间的物理、化学相互作用和分子取向给予了全面地描述，揭示了PFN作为CIL在正式器件和反式器件中的具体作用机理。PFN的引入能大幅降低金属电极和ITO的功函数及在阴极界面处电子的抽出势垒。利用PFN为CIL和掺杂的共轭微孔聚合物为阳极界面层，我们将PTB7:PC71BM为活性层的PSCs的功率转换效率（PCE）提升至了8.42%。在此基础上，我们又发展了一系列高效的有机小分子CIL材料并研究了它们的工作机理，利用这些材料作为CIL，我们可以把PTB7:PC71BM为活性层的PSCs的PCE提升至9%以上。另外在研究CIL在PSCs中的工作机理时，我们发现不但上述的PCPs或小分子本身提高了器件的效率而且它们的极性溶剂醇/水也贡献了器件性能的提升。接触角和XPS深度剖析研究表明醇/水处理能提高活性层中受体PC71BM 在上表面的含量，从而使活性层中聚合物给体和PC71BM受体在纵向的分布更均匀。这样的一个给、受体纵向分布有利于正式器件性能的提升。