应用光电子能谱技术研究有机太阳电池中聚合物阴极修饰层的作用机理

Polymer solar cells (PSCs) are promising renewable energy source because of their unique advantages of low-cost, large area, light weight and flexibility. The open-circuit voltage, short circuit current density, and fill factor can be simultaneously improved using alcohol/water-soluble polymer as the cathode interlayer, resulting in a power conversion efficiency up to 9.2%. However the mechanism of performance improvement of PSCs by alcohol/water-soluble conjugated polymer cathode interlayer is not clear. In this proposal, we use X-ray and ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS/XPS) combined with scan probe microscopy (SPM), water contact angle measurement and UV-Vis absorption spectra to study the influence of the interlayer on the energy level alignment at the device interface, the interaction between the active layer and the cathode interlayer, and the dependence of the device performance on the chemical structure of polymer donors. The results of this study will be helpful to understand the mechanism of the improvement of the performance of PSCs by this type cathode interlayer, and at the same time will provide in-deep strategies and theoretical basis to design more suitable cathode interlayer for highly-efficient PSCs.

聚合物太阳电池由于具有低成本、易加工、质量轻、可卷曲等诸多优点，已经成为最有希望的下一代太阳电池之一。具有醇/水溶性的共轭聚合物作为阴极修饰层,可同时提高器件的开路电压、短路电流和填充因子等参数，利用这一方法,我们实现了高达9.2%的能量转换效率。然而，这一方法对器件性能提高的机理尚不完全清楚。本项目以紫外/X射线光电子能谱（UPS/XPS）为主要研究手段，结合扫描探针显微镜（SPM）、接触角测试、紫外吸收光谱等技术，通过研究阴极修饰层对器件界面电子结构的影响，阴极修饰层和光活性层、电极之间的相互作用，及其与聚合物电子给体材料的化学结构之间的依赖关系，阐明醇/水溶性共轭聚合物提高器件性能的内在机制。通过本项目的研究，不仅对该类型阴极修饰层改善聚合物太阳电池性能的机理的理解具有重要的科学意义和应用价值，而且将为进一步设计和研发合适的阴极修饰层，研制高性能聚合物太阳电池提供新的思路和指导原则。

本项目以醇/水溶性共轭聚合物阴极修饰层与不同给体/富勒烯基聚合物活性层及不同电极材料的界面为主要研究体系，以光电子能谱（UPS/XPS）为主要研究手段，结合扫描探针显微镜（SPM）技术，系统研究了阴极修饰层对太阳能电池界面电子结构的影响、不同厚度的醇/水溶性共轭聚合物PFN阴极修饰层对不同电极材料功函数的影响，聚合物阴极修饰层PFN与不同给体光活性层给体材料的依赖关系、倒装结构中阴极修饰层的作用机理等。研究发现PFN侧链上的极性基团-氨基出现部分失电子的情况，形成界面偶极子，导致电极功函数的降低。通过PFN与不同给体光活性层的界面研究，揭示了PFN与光活性层给体材料的依赖关系以及衬底效应对界面电子结构的影响，明确了醇/水溶性共轭聚合物阴极修饰层改善器件性能的内在机制。同时应用光电子能谱技术进一步开展了对其它类型的聚合物太阳电池界面修饰层和新型有机太阳电池钙钛矿太阳电池的衰减机理研究等。.本项目的实施为进一步设计和制备合适的阴极修饰层，研制高性能聚合物太阳电池器件提供思路和理论依据；应用光电子能谱技术明确了有机太阳电池形成界面偶极子的机理和微观过程，揭示了钙钛矿太阳电池薄膜形成的内在机制及器件性能衰减机理，为有机太阳电池的研究开发提供理论指导和分析测试技术支撑。.