电子束辐照改性聚多巴胺用于聚合物太阳能电池界面设计及调控的研究

The excellent adhesion property of polydopamine (PDA) provides a new way to the fixing of nanoparticles. In this study, the strong adhesion and reducing of PDA was used to fabricate the structure of ITO/PDA/metal nanoparticles, which used to improve the photoelectric conversion efficiency of polymer solar cell by increasing light absorption caused by localized surface plasmon resonance of metal nanoparticles. In addition, PDA was modified to obtain fine tuning on the molecular structure and bandgap by electron beam irradiation.The modified PDA in surface functionalization of the substrate to improve the hydrophilic or hydrophobic properties, in increasing its combination with organic active layer and in improving the carrier transportation were studied. At last, PDA/graphene and PDA/oxide semiconductor were fabricated to be used as carrier transport layer to improve the performance of polymer solar cells.

聚多巴胺优异的粘附性能为纳米粒子的固定提供了一条崭新的途径。本项目主要研究以聚多巴胺膜作为媒介，利用其较强的粘附性能吸附于导电基板表面，还原金属离子形成金属纳米粒子，通过金属纳米粒子的局域表面等离子体共振特性来增加光的吸收，进一步提高聚合物太阳能电池的光电转换效率。其次，利用电子束辐照对聚多巴胺膜进行改性，研究改性后的聚多巴胺膜在对基板实现表面功能化、部分改善基板的亲疏水性能、在增加基板与有机活性层的结合及提高载流子传输性能等方面所起的作用。最后，利用聚多巴胺膜的粘附性进行其他界面修饰研究，将氧化石墨烯、石墨烯、氧化物半导体引入聚合物太阳能电池的界面，研究其对电池性能的影响。

本项目主要研究了电子束辐照聚多巴胺（PDA）在聚合物太阳能电池中的应用，通过调控辐照剂量，改善电子传输层与电极和光学活性层的结合强度，减弱能级失配，加速载流子的传输，提高器件的整体性能。. 研究了PDA膜形成的影响因素。PDA能有效的固定金属纳米粒子，粒子的尺寸及固载密度与反应物浓度、温度、循环次数及金属种类有关。对比纳米银，纳米金分布更为均匀且固载密度高。PDA与ZnO纳米粒子间形成的络合物有利于钝化ZnO的表面缺陷，并增强了ZnO与PDA之间的电子转移。PDA含有儿茶酚基团，当氧化成相应的醌基时，释放电子并对ZnO进行了N 型掺杂，提高了氧化锌的导电性，进而提高了电子的传输效率。. 在高能电子束作用下，PDA薄膜的形貌、结构、亲水性、带隙及阻抗发生了显著变化。其主要原因是共轭系统的变化以及苯环的畸变和辐照诱导的开环反应、分子内和分子间氢键的形成。通过将一定能量的电子注入 PDA 膜中，电荷转移形成富电子和贫电子芳香环，芳香环中的π-π堆积增强，分子间的氢键也增强。包括电荷转移、氢键、π-π堆积和共价聚合的交联占主导地位。当照射剂量进一步增加时，电子及其诱导的氧和羟基自由基加剧了芳环之间π-π堆积相互作用的减少，断链占主导地位。结果表明，随着辐照剂量的增加，PDA的聚合度先升高后降低，相应的带隙值先减小后增大。电化学阻抗的变化与带隙的变化规律一致。. 基于PDA固载纳米粒子的新途径及电子束辐照对PDA性能的有效调控，将纳米金、纳米银、金纳米棒、石墨烯及二氧化硅引入界面层，电池的性能有所提升。其中经50 KGy辐照的PDA/AuNRs复合膜用于界面调控，空气气氛下制备的器件的性能稳定，光电转换效率达到5.66%。PDA经电子束调控优化了与ZnO之间的带隙匹配，促进了均匀无缺陷ZnO薄膜的形成，并进而与活性层之间形成了良好的界面接触，有效地增强了电荷输运，结合纳米金属的局域表面等离子共振效应，提高了太阳能电池的器件性能。进而证明 PDA膜作为媒介进行聚合物太阳能电池界面调控的可行性。