溶液加工界面材料改善聚合物太阳电池性能的机理研究

In the study of organic photovoltaic device, solution-processed interfacial materials such as alcohol/water-soluble polymer and n-type small molecules used as the cathode interlayer can improve the performance greatly. Using this type cathode interlayer the high power conversion efficiency up to 10% of the single-junction polymer solar cells (PSCs) has been reported recently. However the mechanism of such improvement by the solution-processed cathode interlayer is not clear. The novelty of this proposal is to use the photoemission spectroscopy and Kelvin probe force microscopy 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, the microstructure of the active layer and the potential distribution in the cathode interface. The results of this study will benefit the understanding of the mechanism of the improvement of the performance by the cathode interlayer, and provide new guidelines and theoretical basis to design more suitable cathode interlayer for high-efficient organic photovoltaic device.

在有机光伏电池研究中，溶液加工界面材料如醇/水溶性共轭聚合物或n型有机小分子作为阴极界面层可大幅度提高器件性能。通过使用合适的溶液加工阴极界面材料，单结聚合物太阳电池器件的能量转化效率提升至超过10%。然而这种性能提高的机理尚不完全清楚。本项目创造性地提出以光电子能谱、扫描开尔文探针显微镜为主要研究手段，研究阴极界面层与光活性层、电极的界面能级排列及相互作用，以及阴极界面层对活性层微观结构及界面电势分布的影响，阐明溶液加工材料作为阴极界面层提高器件性能的内在机制。本项目的科学意义和应用价值在于不仅深入研究阴极界面层对聚合物太阳电池性能提高的内在机理，而且为进一步设计和制备合适的阴极界面层，研制高性能聚合物太阳电池器件提供新的思路。

本项目按照计划研究了醇/水溶性共轭聚合物、n型有机小分子阴极界面层与给体/富勒烯基聚合物活性层及电极的界面为主要研究体系，以光电子能谱、扫描开尔文探针显微镜为主要研究手段，研究阴极界面层与光活性层的界面能级排列及相互作用、给体/富勒烯活性层与阴极界面层相互作用的关联、阴极界面层对活性层微观结构及界面电势分布的影响，阐明溶液加工材料作为阴极界面层提高器件性能的内在机制。此外，还应用光电子能谱技术进行了进一步的研究探索，开展了对聚合物太阳电池界面修饰层的研究：碳点修饰的ZnO作为阴极界面修饰层、TFSA对给体材料的掺杂效应；同时应用光电子能谱技术研究在溶液加工钙钛矿薄膜稳定性及衬底效应的机制；应用光电子能谱和KPFM技术研究溶液加工制备的钙钛矿太阳电池性能提高的机理；以及进行方法研究：利用UPS、XPS及KPFM三种技术测量样品的功函数的优劣势等。.通过本项目的研究，我们对聚合物太阳电池中光活性层共混材料与阴极界面层PFN、n型小分子的界面作用情况与微观相互作用有了更深入的了解，为进一步设计与研发优异的聚合物太阳电池提供了坚实基础，有利于进一步提高聚合物太阳电池的光电转换效率。