畢業(yè)論文-高性能非富勒烯太陽能電池的制備和研究

1、PAGE 單位代碼： 學(xué) 號： 分 類 號： 畢業(yè)設(shè)計(論文)高性能非富勒烯太陽能電池的制備和研究學(xué)院名稱化學(xué)與環(huán)境學(xué)院專業(yè)名稱應(yīng)用化學(xué)學(xué)生姓名指導(dǎo)教師 2016年5月本科生畢業(yè)設(shè)（論文任務(wù)書、畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：高性能非富勒烯太陽能電池的制備和研究 、畢業(yè)設(shè)計（論文）使用的原始資料（數(shù)據(jù)）及設(shè)計技術(shù)要求：主要材料：苝酰亞胺衍生物，PEDOT:PSS，鋁等 主要儀器：ITO導(dǎo)電玻璃片，UV-臭氧清洗儀，旋涂儀（勻膠機(jī)），手套箱，高真空蒸鍍儀，太陽光模擬器，太陽能外量子效率測試儀 、畢業(yè)設(shè)計（論文）工作內(nèi)容：(1) 制備非富勒烯太陽能光電池器件 (2) 通過調(diào)整活性層物質(zhì)提高電池的光電轉(zhuǎn)換（效

2、）率 (3) 研究不同條件下的光電池的轉(zhuǎn)換（效）率，并且獲得一個（以探求）最優(yōu)的光電池器件的制備方法 、主要參考資料：（參考文獻(xiàn)格式有些混亂）1霍利軍, 韓敏芳, 李永舫. 受體型有機(jī)光伏材料苝二酰亞胺 J. 化學(xué)進(jìn)展, 2007, 19(11): 1761-9. 2Sun D, Meng D, Cai Y, et al. Non-Fullerene Acceptor-Based Bulk Heterojunction Organic Solar Cells with Efficiency over 7% J. Journal of the American Chemical Society,

3、 2015, 137(34): 3聚合物太陽能電池材料和器件.李永舫，何有軍，周祎，編著.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.5 化學(xué)與環(huán)境學(xué)院（系）應(yīng)用化學(xué) 專業(yè)類 1227-21 班學(xué)生 朱丹蕾畢業(yè)設(shè)計（論文）時間： 2016年 1 月 20 日至2016年 5月 28 日答辯時間：2016年 6月 日成 績： 指導(dǎo)教師：孫艷明 教授兼職教師或答疑教師（并指出所負(fù)責(zé)部分）： 系（教研室） 主任（簽字）： 本人聲明我聲明，本論文及其研究工作是由本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨立完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。作者：簽字：時間：2016年 5 月高性能非富勒烯太陽能電池的制備和研究（字

4、體大?。┱捎谌?qū)τ谀芰康男枨罅咳找嬖黾?，太陽能作為一類清潔的，可持續(xù)發(fā)展的能源而備受關(guān)注。太陽能電池作為可有效的將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的手段，對其材料的研究主要分為無機(jī)半導(dǎo)體類和有機(jī)/聚合物半導(dǎo)體類。有機(jī)光伏（刪去）太陽能電池（OSCs）在過去（的）幾年間有了（取得了）極大的發(fā)展。然而這一領(lǐng)域仍然存在兩大挑戰(zhàn)。其一是如何進(jìn)一步提高其能量轉(zhuǎn)化效率（PCE）。第二個挑戰(zhàn)是如何降低器件制作過程中材料的費用。有機(jī)太陽能電池的給體材料和受體材料都相當(dāng)昂貴。盡管富勒烯及其衍生物有出眾的電子接受能力，但他們?nèi)跃哂泻苊黠@的缺點：高花費，在可見光區(qū)有限的吸收范圍，混合薄膜中的形態(tài)不穩(wěn)定等。所有這些都限制了其工

5、業(yè)應(yīng)用以及在設(shè)備（器件）性能中的進(jìn)一步提高。非富勒烯材料相比之下有更好的表現(xiàn)：低花費，較好的化學(xué)穩(wěn)定性，易于進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，可見光區(qū)有較好的吸收以及強(qiáng)烈的電子缺陷（較強(qiáng)的吸電子能力）。本文主要介紹的苝酰亞胺類（PDI）分子是非富勒烯材料中研究的最早的受體之一（一類研究最早且使用最為廣泛的非富勒烯受體材料）。關(guān)鍵詞：有機(jī)太陽能電池 非富勒烯 受體材料 苝酰亞胺Preparation and research of high performance non fullerene photovoltaic cellsAuthor：Zhu DanleiTutor: Sun YanmingAbstrac

6、tDue to the increasing demand for energy, the solar energy has attracted much attention as a kind of clean and sustainable energy. As an effective means to convert the solar energy into electrical energy, the research of the solar cell is mainly divided into inorganic semiconductor and organic / pol

7、ymer semiconductor. Organic photovoltaics cells（刪去） (OPVs) have been greatly developed in the past few years. However, there are still two major challenges in this field. One is how to further improve the power conversion efficiency (PCE). The second challenge is how to reduce the cost of materials

8、in the manufacturing process. OPV donors and acceptors （The donor and acceptor materials ）are very expensive. In spite of PCBM(fullerene derivatives) have superior electron accepting ability, but they still have very obvious shortcomings: high cost, in the visible region limited absorption range(lim

9、ited absorption range in the visible region) and morphology of hybrid films unstable(unstable morphology in the hybrid films ). All this(those) limit its(their) industrial applications and further increases in the performance of the device. Compared to(In comparison,) non-fullerene materials have be

10、tter performance: low cost, good chemical stability, easy to carry on Optimization of the structure of, the visible region has better absorption and strong electronic defects(strong absorption ability in the visible region and good electron affinity ). Perylene diimide (PDI) molecule(derivatives) is

11、(are) one of the earliest and most common non-fullerene acceptors studied in OSCs.Keywords: organic photovoltaic cell(organic solar cells); non fullerene(non-fullerene); electron acceptor; perylene diimide(PDI)目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc452092011 本人聲明 PAGEREF _Toc452092011 h 3 HYPERLINK l _T

12、oc452092012 1 緒論 PAGEREF _Toc452092012 h 7 HYPERLINK l _Toc452092013 1.1引言 PAGEREF _Toc452092013 h 7 HYPERLINK l _Toc452092014 1.2有機(jī)太陽能電池簡介 PAGEREF _Toc452092014 h 8 HYPERLINK l _Toc452092015 1.2.1有機(jī)光伏材料的分類 PAGEREF _Toc452092015 h 8 HYPERLINK l _Toc452092016 1.2.2有機(jī)光伏器件結(jié)構(gòu)的分類 PAGEREF _Toc452092016 h

13、10 HYPERLINK l _Toc452092017 1.2.3有機(jī)太陽能電池的原理（BHJ結(jié)構(gòu)） PAGEREF _Toc452092017 h 12 HYPERLINK l _Toc452092018 1.3苝酰亞胺類分子的發(fā)展 PAGEREF _Toc452092018 h 13 HYPERLINK l _Toc452092019 1.3.1PDI 分子概述 PAGEREF _Toc452092019 h 13 HYPERLINK l _Toc452092020 1.3.2PDI分子的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及發(fā)展 PAGEREF _Toc452092020 h 14 HYPERLINK l _T

14、oc452092021 1.4有機(jī)太陽能電池的展望 PAGEREF _Toc452092021 h 16 HYPERLINK l _Toc452092022 1.4.1提高光電轉(zhuǎn)化效率 PAGEREF _Toc452092022 h 16 HYPERLINK l _Toc452092023 1.4.2提高器件壽命 PAGEREF _Toc452092023 h 16 HYPERLINK l _Toc452092024 2 優(yōu)化新型PDI材料 PAGEREF _Toc452092024 h 17 HYPERLINK l _Toc452092025 2.1實驗的主要目的 PAGEREF _Toc4

15、52092025 h 17 HYPERLINK l _Toc452092026 2.2有機(jī)太陽能電池的性能 PAGEREF _Toc452092026 h 17 HYPERLINK l _Toc452092027 2.3光伏材料需要的性質(zhì) PAGEREF _Toc452092027 h 19 HYPERLINK l _Toc452092028 2.4實驗采用的儀器和試劑 PAGEREF _Toc452092028 h 20 HYPERLINK l _Toc452092029 2.4.1實驗中采用的儀器 PAGEREF _Toc452092029 h 20 HYPERLINK l _Toc452

16、092030 2.4.2實驗中采用的試劑 PAGEREF _Toc452092030 h 21 HYPERLINK l _Toc452092031 2.5實驗的主要過程 PAGEREF _Toc452092031 h 21 HYPERLINK l _Toc452092032 2.5.1實驗的具體過程 PAGEREF _Toc452092032 h 21 HYPERLINK l _Toc452092033 2.5.2實驗流程圖 PAGEREF _Toc452092033 h 23 HYPERLINK l _Toc452092034 2.5.3注意事項 PAGEREF _Toc452092034

17、h 23 HYPERLINK l _Toc452092035 2.6受體材料的分析 PAGEREF _Toc452092035 h 25 HYPERLINK l _Toc452092036 2.7有機(jī)光伏器件性能的優(yōu)化 PAGEREF _Toc452092036 h 27 HYPERLINK l _Toc452092037 2.7.1調(diào)整退火條件 PAGEREF _Toc452092037 h 27 HYPERLINK l _Toc452092038 2.7.2調(diào)整給受體比例 PAGEREF _Toc452092038 h 29 HYPERLINK l _Toc452092039 2.7.3調(diào)

18、整添加劑的加入量 PAGEREF _Toc452092039 h 31 HYPERLINK l _Toc452092040 結(jié)論 PAGEREF _Toc452092040 h 34 HYPERLINK l _Toc452092041 致謝 PAGEREF _Toc452092041 h 36 HYPERLINK l _Toc452092042 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc452092042 h 371 緒論1.1引言當(dāng)今社會，全球的能源需求量日益增加，能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)保障，能源問題逐漸成為全球各國在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中所遇到的首要問題?？稍偕茉促Y源豐富，開發(fā)利用可再生能源

19、可有效解決能源的供需矛盾，太陽能作為一類清潔的可再生能源，備受關(guān)注。對于太陽能的利用的載體是太陽能電池，這類器件可以有效的將光能轉(zhuǎn)化為電能。太陽能電池按關(guān)鍵材料，可以分為硅基太陽能電池、化合物(?)半導(dǎo)體薄膜太陽能電池、染料敏化太陽能電池以及有機(jī)太陽能電池。人們對于太陽能電池的研究始于1954年。貝爾實驗室研制出來的第一塊太陽能電池的活性材料是單晶硅，其效率可達(dá)6%，之后有關(guān)太陽能電池的研究迅速發(fā)展。最初主要集中在無機(jī)太陽能電池上，其主要的活性材料為單晶硅。單晶硅太陽能電池一直以來是發(fā)展較快、較穩(wěn)定、轉(zhuǎn)化效率最高，也是長期占據(jù)太陽能電池市場主導(dǎo)地位的硅基太陽能電池。雖然這類電池具有較高的轉(zhuǎn)換效

20、率，但由于其制備過程中對硅的純度要求高，同時制備工藝較為復(fù)雜，加之價格因素，以單晶硅為活性材料的太陽能電池應(yīng)用受限。后期又研制出了一類采用低級的半導(dǎo)體多晶硅的多晶硅太陽能電池，相比之下這類電池的價格較低同時轉(zhuǎn)換率接近單晶硅太陽能電池。20世紀(jì)90年代，在單晶、多晶或非晶薄膜的基礎(chǔ)上，發(fā)展了砷化鎵、碲化鎘以及疊層GaInP/GaAs/Ge等器件，這類電池的轉(zhuǎn)換效率接近27%，但由于其器件中含有大量有毒元素，會對環(huán)境造成較大污染，因此在研究過程中對其安全和環(huán)境問題重點關(guān)注。染料敏化太陽能電池由于較低的制造成本、簡單的制作工藝流程、相對較高的光電轉(zhuǎn)化，而迅速成為研究熱點。自EPFL在1991年取得突

21、破性進(jìn)展的7.1%的效率后，這類器件獲得了廣泛的關(guān)注與重視，但由于電池的壽命和效率不及單晶硅電池，這類材料還沒有大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。20世紀(jì)90年代初Heerger等發(fā)現(xiàn)富勒烯與共軛聚合物之間存在光誘導(dǎo)超快電荷轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，為太陽能電池的開發(fā)提供了動力，進(jìn)而使其成為國內(nèi)外的研究熱點。有關(guān)于有機(jī)光伏的研究開始逐漸被大家關(guān)注。相比于其他種類的太陽能電池，有機(jī)光伏具有其獨特的優(yōu)勢，首先，有機(jī)光伏器件的制備工藝簡單，其次相比于硅基太陽能電池，有機(jī)光伏的造價相對低廉。同時由于有機(jī)光伏的核心是有機(jī)物，因此可以通過對有機(jī)物進(jìn)行化學(xué)結(jié)構(gòu)修飾調(diào)節(jié)器件的性能，不因資源存量限制。先比之下，這類材料質(zhì)量相對較輕，具有較好

22、的柔韌性，因此方便大規(guī)模的制備柔性器件。由于有機(jī)光伏器件展現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢和廣闊的前景，使得有機(jī)光伏這一研究課題備受關(guān)注。1.2有機(jī)太陽能電池簡介有機(jī)太陽能電池的研究始于1959年，其結(jié)構(gòu)為三明治夾心結(jié)構(gòu)，單晶蒽夾在兩個電極之間，最初的效率僅在0.1%左右，1986年鄧青云報道以酞菁衍生物作為電子給體、四羧基苝衍生物作為電子受體的雙層結(jié)構(gòu)有機(jī)光伏器件，其器件轉(zhuǎn)化效率獲得了突破性的1%的效率，同時這一研究首次引入電子的給/受體雙層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的概念。20世紀(jì)90年代初，Heeger等發(fā)現(xiàn)共軛聚合物作為電子給體,C60作為電子受體，在光誘導(dǎo)下可以產(chǎn)生超快的電荷轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，并且電荷轉(zhuǎn)移的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其

23、逆過程，這一發(fā)現(xiàn)為太陽能電池的開發(fā)提供了動力，進(jìn)而使其成為國內(nèi)外的研究熱點。1993年，課題組在此基礎(chǔ)上制備了以PPV衍生物為電子給體，C60為電子受體的雙層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的體系。在1995年發(fā)明了溶液可加工的共軛聚合物/可溶性的PCBM衍生物共混型的本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)（BHJ），這是第一次提出這一器件結(jié)構(gòu)，BHJ的器件結(jié)構(gòu)大大優(yōu)化了（提高了）其給/受體的接觸界面面積。與其他的太陽能電池相比，有機(jī)太陽能電池（OPVs（OSCs）展現(xiàn)了太陽能電池發(fā)展的巨大潛力，其的器件制備工藝相對簡單且造價低廉；作為活性層的分子易于進(jìn)行化學(xué)結(jié)構(gòu)修飾；相對而言它的質(zhì)量比較輕、有較好的柔韌性因此理論上可以現(xiàn)大面積/柔性器件

24、的制備。在過去的20多年里，有機(jī)光伏太陽能電池的給受體材料的設(shè)計與合成，器件的結(jié)構(gòu)以及界面的優(yōu)化都有了明顯的進(jìn)展，器件的效率紛紛突破10%。1.2.1有機(jī)光伏材料的分類有機(jī)光伏的一個研究重點在于其活性層采用的給體材料和受體材料，僅就受體材料來講對于有機(jī)光伏太陽能電池材料的研究大體可以分為兩個方向，富勒烯及其衍生物以及非富勒烯材料。1993年，C60作為太陽能電池的受體材料，與給體材料MEH-PPV制的異質(zhì)結(jié)雙層結(jié)構(gòu)的有機(jī)光伏器件，開啟了人們對于富勒烯及其衍生物用于有機(jī)光伏受體材料的研究。到現(xiàn)在為止，可溶性的富勒烯及其衍生物都是有機(jī)太陽能電池中應(yīng)用最廣泛的材料之一，采用PCBM作為受體材料和P3

25、HT作為給體材料制備的本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的有機(jī)光伏器件效率穩(wěn)定在3.5%左右。但作為受體材料富勒烯及其衍生物有著獨特的優(yōu)勢，第一是富勒烯具有大的共軛平面，同時分子呈球狀結(jié)構(gòu)，可以是電子實現(xiàn)三維空間的傳輸，因此在即使制備薄膜器件也可以有較好的傳輸效率。第二是富勒烯具有適合的HUMO能級和LUMO能級，是器件相對穩(wěn)定，同時具有較高的開路電壓。第三是富勒烯的LUMO能級具有三重的簡并軌道，其電負(fù)性高，具有較強(qiáng)的電子親和能力。第四是由于分子的結(jié)構(gòu)為剛性骨架，可以有效的避免電荷的復(fù)合。第五是可以通過對分子修飾進(jìn)行能級以及吸收光譜范圍的調(diào)整，使之更適宜應(yīng)用于有機(jī)光伏的受體材料。但是在實際應(yīng)用中，富勒烯及其衍生

26、也有眾多的缺陷，第一，富勒烯類的分子制備和提純較為困難，獲得純度較高的分子價格昂貴。第二，的分子吸收范圍較窄，在可見光區(qū)幾乎沒有吸收，在溶液中PCBM以及PC70BM主要的吸收范圍在200nm到350nm的紫外光區(qū)，但是在可見光區(qū)幾乎沒有強(qiáng)的吸收峰，無法有效的將太陽光進(jìn)行吸收利用。相比之下PC70BM在可見光區(qū)的吸收能力要優(yōu)于PCBM，但是在材料的價格上，PC70BM更為昂貴。第三是，PCBM以及PC70BM的溶解性的問題，由于在進(jìn)行器件的制備過程中主要采用的是濕法加工，或者說溶液法加工的方式，受體材料在溶劑中的溶解性會影響活性層的成膜以及團(tuán)聚，對器件的能量轉(zhuǎn)化效率有較大的影響。由于富勒烯窄帶

27、隙的吸收，溶解性差等的缺陷限制其進(jìn)一步發(fā)展。人們嘗試著尋找一種具有優(yōu)良的吸光特性，具有較高的電子遷移率的電子受體材料，用于替代富勒烯類的電子受體材料。這類材料我們統(tǒng)稱為非富勒烯類的受體材料，可以分為聚合物和小分子，接下來簡單介紹一下小分子非富勒烯受體材料的概況。理想的受體材料必須克服之前富勒烯材料所說的大部分缺陷，實現(xiàn)給體材料和受體材料在可見光區(qū)的光學(xué)吸收互補(bǔ)，最大程度利用太陽光可見光區(qū)的能量，同時注意受體材料的HOMO能級和LUMO能級，以獲得更高的開路電壓，從而使器件獲得更好的光電轉(zhuǎn)化效率以及電池的壽命。有機(jī)小分子的非富勒烯類受體材料易于進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的化學(xué)修飾，相比于富勒烯材料，生產(chǎn)成本較低

28、，同時制備工藝簡單，便于進(jìn)行大批量的生產(chǎn)。并且小分子的吸收峰較寬而且能級可以通過對小分子結(jié)構(gòu)的修飾進(jìn)行調(diào)節(jié)，方便與眾多的給體材料匹配。結(jié)合以上的優(yōu)點，有機(jī)小分子有望取代富勒烯及其衍生物作為新的受體材料?，F(xiàn)階段研究發(fā)現(xiàn)，苝酰亞胺類（PDI），并五苯（DPP）類材料，苯并噻二唑（）類小分子，聯(lián)芴烯等均可以作為受體材料應(yīng)用到器件的制備中。這類材料在結(jié)構(gòu)上的共同點是，都具有大的共軛鍵，同時在分子中有強(qiáng)的吸電子基團(tuán)。在吸收光譜的在可見光區(qū)內(nèi)，這些材料表現(xiàn)了優(yōu)異的性能。此次課題主要研究的是苝酰亞胺類的受體材料，在接下來的部分會對苝酰亞胺分子以及其現(xiàn)階段的發(fā)展情況做簡要的介紹。1.2.2有機(jī)光伏器件結(jié)構(gòu)的分

29、類有機(jī)太陽能電池的結(jié)構(gòu)特點是其活性層含有不同的光伏材料，實驗過程中有機(jī)光伏器件的活性層是由溶液濕法制備的。根據(jù)器件的結(jié)構(gòu)以及器件活性層的組成，有機(jī)光伏器件的結(jié)構(gòu)現(xiàn)階段比較常見的大致可以分為四類，分別是肖特基型單層電池（圖a），雙層給/受異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)（圖b），給/受本體異質(zhì)結(jié)電池（圖c）和疊層電池（圖d）。肖特基型單層電池 這種單層太陽能電池最早始于1958年，這類器件的主要結(jié)構(gòu)是在兩個電極之間夾著一層有機(jī)半導(dǎo)體材料，陽極一般采用的是刻蝕有ITO的透明玻璃，陰極采用金屬鋁，鎂這類低功函數(shù)的金屬。這類器件結(jié)構(gòu)簡單，易于進(jìn)行制備，但是分子鍵的相互作用很弱，激子束縛能大，激子擴(kuò)散距離短，這類結(jié)構(gòu)的器件的

30、光電轉(zhuǎn)化效率極低，一般在0.1%左右。這類器件的工作原理較為簡單，有機(jī)層吸收光子產(chǎn)生激子，一部分激子擴(kuò)散到陰極界面，陰極吸收其中電子，空穴保留在有機(jī)物的HOMO能級上，通過擴(kuò)散傳輸?shù)疥枠O界面，陽極吸收其中的空穴；一部分激子擴(kuò)散到陽極界面，陽極手機(jī)其中的空穴，電子保留在有機(jī)物的LUMO能級上，通過擴(kuò)散傳輸?shù)疥帢O界面，陰極收集其中的電子。陰陽兩極分別收集電子和空穴，形成光電流和光電壓。雙層給/受異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu) 又稱p-n異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)的引入是有機(jī)太陽能電池的一個重要的突破。器件的活性層是由給體材料層和受體材料層構(gòu)成，在給/受體界面之間形成了可以使激子進(jìn)行有效的電荷分離的異質(zhì)結(jié)，這一結(jié)構(gòu)在某種程度

31、上效仿了無機(jī)太陽能電池的pn結(jié)的概念，這類材料電池的主要工作原理是給體層或者受體層受到光激發(fā)生成激子，激子擴(kuò)散到給受體的界面層進(jìn)行電荷的分離，同時空穴傳輸?shù)疥枠O，電子傳輸?shù)疥帢O，通過兩極的電荷收集形成光電流和光電壓。這類材料，給/受體界面的激子電荷分離可以達(dá)到接近于100%的分離效率，但是由于給體層和受體層的薄膜厚度以及激子的擴(kuò)散距離的限制，導(dǎo)致這類器件的光電轉(zhuǎn)化效率僅在1%左右。本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu) 現(xiàn)階段應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)，我們常稱之為本體異質(zhì)結(jié)（BHJ）結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)主要的特點是其活性層是給受體的共混物。盡管雙層給/受體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的太陽能電池激子在給/受體界面上的電荷分離的效率很高，但是由于激子

32、本身的擴(kuò)散長度有限，其擴(kuò)散長度一般在10nm左右，也就是說只有靠近給/受體界面10nm的薄層內(nèi)的激子才可能獲得有效的分離，而那些處于10nm之外的薄膜部分，雖然可以吸收光子產(chǎn)生激子，但是由于其在擴(kuò)散過程中會通過復(fù)合發(fā)光或者能量弛豫而產(chǎn)生能量損失。1995年俞剛課題組提出的給受體共混的這種BHJ結(jié)構(gòu)可以有效的改善上述的問題，他們采用MEH-PPV作為活性層的給體，PCBM 作為受體制備了這種結(jié)構(gòu)的有機(jī)太陽能電池，實驗結(jié)果表明這種給/受體網(wǎng)絡(luò)互傳的結(jié)構(gòu)可以提高激子的擴(kuò)散比率，同時大大的提升了有機(jī)光伏器件的光電轉(zhuǎn)化效率。(有機(jī)太陽能電池研究新進(jìn)展)本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池制備工藝簡單、大大提升給受體界面

33、的接觸面積，激子電荷可以有效的進(jìn)行分離、光伏的能量轉(zhuǎn)換效率較高，因此現(xiàn)階段通過濕法加工制備的器件大多采用這一類結(jié)構(gòu)。疊層器件 底層器件一般采用的雙活性層結(jié)構(gòu)，中間是連接兩個活性層的透明電極，正常的疊層器件的結(jié)構(gòu)如圖所示，從陽極到陰極依次是活性單元結(jié)構(gòu)1，中間層和活性單元結(jié)構(gòu)2。疊層器件中的兩個電池有串聯(lián)和并聯(lián)的兩種結(jié)構(gòu)。串聯(lián)的優(yōu)勢在于可以提高器件的開路電壓，其開路電壓等于兩個子電路的開路電壓之和，但是缺點是其短路電流受兩子路中較小的一方限制。相比之下，并聯(lián)的優(yōu)勢在于可以改善器件的短路電流，目前多采用串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。在器件的制備過程中，最主要的部分為中間的活性層，中間層是上一個電池的陰極和下一個電池

34、的陽極，換言之，就是上一個電池的的電子和下一個電池收集到的空穴需要在活性層進(jìn)行復(fù)合。對于中間層的要求包括低電阻，易加工，高透光率，良好的歐姆接觸等等。目前疊層器件的效率已達(dá)到11%。1.2.3有機(jī)太陽能電池的原理（BHJ結(jié)構(gòu)）有機(jī)光伏太陽能電池的工作原理大體可以分為四個部分，分別是光吸收與激子的形成，激子的擴(kuò)散，電荷的分離以及電荷的傳輸與收集。光吸收與激子的形成當(dāng)太陽光通過導(dǎo)電玻璃（ITO玻璃）直射到已經(jīng)旋涂好的活性層上時，處在HOMO能級的電子會被激發(fā)躍遷到分子的LUMO能級上，相關(guān)聯(lián)的空穴占據(jù)分子的HOMO 能級，這種狀況下形成的電子-空穴對之間的庫侖力較大，以激子的形式存在。簡言之，就是

35、活性層吸收光子產(chǎn)生光電效應(yīng)從而激發(fā)產(chǎn)生激子。激子擴(kuò)散 產(chǎn)生的激子（也就是電子-空穴對）需要擴(kuò)散到給體材料和受體材料的界面才能發(fā)生電荷分離，電子給體與電子受體的電子親和能力的差別越大，越有利于激子在給受體界面分離。一般來講激子的擴(kuò)散長度在10nm左右，只有在給受體界面附近10nm范圍內(nèi)產(chǎn)生的激子才可以到達(dá)給/受體的界面表層，那些超過10nm的范圍內(nèi)產(chǎn)生的激子一般會通過復(fù)合或者被陷阱捕獲消耗能量，這些范圍內(nèi)產(chǎn)生的激子對光電轉(zhuǎn)化效率沒有任何的貢獻(xiàn)。電荷分離 無論是給體材料中產(chǎn)生的激子還是受體材料中產(chǎn)生的激子，當(dāng)其到達(dá)給受體界面處時，會將電子轉(zhuǎn)移到受體材料的HOMO能級上，而空穴則轉(zhuǎn)移到給體的LUMO

36、能級上，從而實現(xiàn)光生電荷分離。在外加電場力或是內(nèi)建電廠的作用下，給體材料和受體材料上的空穴和電子分別沿著材料定向運動，向兩電極進(jìn)行傳輸。在這一過程中，給受體的HOMO能級差和LUMO能級差是電荷分離的動力，一般來講，差值越大越有利于電荷的有效分離。電荷的傳輸與收集 這一過程是指分離后的空穴沿著給體材料傳輸?shù)疥枠O，而電子沿著受體材料傳輸?shù)疥帢O。兩電極對電子和空穴收集并形成光電流和光電壓。在電荷的傳輸過程中會出現(xiàn)電荷的復(fù)合，這就要求電子和空穴都要有相對獨立的傳輸通道。同時電極的功函數(shù)對器件的光電轉(zhuǎn)化效率也有重要的影響，一般來講，陽極的功函數(shù)越高，陰極的功函數(shù)越低越有利于空穴和電子的收集。根據(jù)有機(jī)光

37、伏的工作原理，可以得出，在光能轉(zhuǎn)化為電能的過程中，有諸多的因素會制約器件的光電轉(zhuǎn)化效率，包括太陽光的反射與透過，在激子擴(kuò)散過程中的復(fù)合與捕獲，在給受體界面電荷分離過程中的激子束縛能，電荷傳輸過程中的電子與空穴的復(fù)合以及電荷收集過程中的在電極附近發(fā)生的復(fù)合以及電極勢壘產(chǎn)生的能量損失。如何有效的降低轉(zhuǎn)換過程中的能量消耗成為有機(jī)光伏器件研究過程中的一大課題。1.3苝酰亞胺類分子的發(fā)展1.3.1PDI 分子概述苝二酰亞胺類（PDI），這類受體材料是研究最早也是研究最深入的材料之一。1986年Tang 首先使用N , N2-二苯并咪唑-3 ,4 ,9 ,10-四羧酸二酰亞胺作為n 型半導(dǎo)體材料，以酞菁銅

38、作為p 型半導(dǎo)體材料制備了雙層p-n 異質(zhì)結(jié)光伏電池，其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到1 %。此后關(guān)于苝酰亞胺衍生物在有機(jī)光伏器件領(lǐng)域應(yīng)用的研究引起了廣泛關(guān)注并不斷取得進(jìn)展其結(jié)構(gòu)如圖，這種n型有機(jī)半導(dǎo)體具有較大的共軛平面，推測可能具有較高的電子遷移率，并且分子的兩端各含有一個酰胺基團(tuán)，酰胺基團(tuán)是強(qiáng)的吸電子基團(tuán)，可以有效的提高分子的吸電子能力，根據(jù)測定，其LUMO能級在-4.0eV左右，與PCBM的LUMO能級（-3.80eV）相近。同時具有良好的光，熱以及化學(xué)穩(wěn)定性。根據(jù)其吸收光譜可以發(fā)現(xiàn)，在400nm到600nm的范圍內(nèi)有強(qiáng)的吸收能力，其摩爾消光系數(shù)可達(dá)10-4M-1cm-1。種種的數(shù)據(jù)表明，這類材料在理

39、論上是一類優(yōu)良的受體材料。但是在研究初期，其光電轉(zhuǎn)換效率僅為1%，苝酰亞胺衍生物之所以一直表現(xiàn)出較差的光伏性能，究其原因為傳統(tǒng)的苝酰亞胺分子為共軛平面型結(jié)構(gòu)，在固態(tài)相時有較強(qiáng)的自聚集傾向，分子間容易形成-堆疊，當(dāng)把它們由溶液旋涂成活性層薄膜時，易形成較大的結(jié)晶相，其尺寸可達(dá)幾百納米，而激子的擴(kuò)散長度較短（5nm20nm） 導(dǎo)致大部分激子在到達(dá)給/受體界面之前已復(fù)合或被陷阱捕獲，而無法進(jìn)行電荷分離，解離成自由的載流子，從而使得相應(yīng)的光伏器件性能遠(yuǎn)不如富勒烯類材料。1.3.2PDI分子的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及發(fā)展對于PDI分子的優(yōu)化，主要的目的是在于調(diào)整分子的聚集傾向，同時也可以通過引入新的支鏈或者基團(tuán)來改

40、善PDI分子的能級。在分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計上可以通過增加支鏈或者將兩分子PDI通過單鍵橋等方式進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)的調(diào)整，加大分子扭曲程度降低分子的-堆疊，提高PDI分子在溶劑中的溶解性，從而可以有效的改善其分子的聚集的情況。對于結(jié)構(gòu)的修飾大概有以下三種思路，第一是在在酰胺基的N位引入支鏈或者基團(tuán)，第二種是在PDI 的bay位，也就是如圖所示的1,6,7,12引入支鏈或者基團(tuán)，第三種是受PCBM的三維電荷傳輸?shù)膯l(fā)，通過對PDI分子進(jìn)行架聯(lián)，獲得準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)或者三維結(jié)構(gòu)的PDI分子，在提高分子扭曲程度的同時也可以改善分子的電荷遷移率。2013年以來，基于苝酰亞胺衍生物的太陽能電池領(lǐng)域不斷取得突破性進(jìn)展。中科院

41、化學(xué)所姚建年/詹傳郎研究所設(shè)計合成了“苝酰亞胺-噻吩-苝酰亞胺”結(jié)構(gòu)的“扭曲型”小分子T-PDI2，以PBDTTT-C-T為給體的聚合物-非富勒烯太陽電池，率先突破了4%的效率瓶頸。與此同時，化學(xué)所王朝暉組報道了不同鍵連的PDI 二聚體分子，其中單鍵橋聯(lián)的SDIPBI和PBDTBDD-T共混制備的器件PCE可達(dá)4.39%。2014年初， Shivanna課題組將兩分子的PDI通過酰胺基上的N-N鍵鏈，獲得的二聚體分子的兩個PDI平面接近于垂直，采用PBDTTT-C-T做給體，該二聚體分子做受體，獲得的器件效率達(dá)到3.2%。另一方面，通過改進(jìn)器件結(jié)構(gòu)的方式來優(yōu)化已有的受體材料也可以獲得更優(yōu)異的性

42、能，美國華盛頓大學(xué)Jen研究組和王朝暉研究組合作將PBDTTT-C-T：SDIPBI體系中的給體換為PTB7-Th，使用器件工程的協(xié)同優(yōu)化，使PTB7-Th:SDIPBI體系的PCE 提高至5.90%。隨后，效率超過6%的配酰亞胺受體體系陸續(xù)被報道，如哥倫比亞大學(xué)Colin Nuckolls等報道了H-PDI2，基于PTB7-Th: H-PDI2的器件效率取得了6.05%的光電轉(zhuǎn)化效率。2015年，王朝暉課題組設(shè)計合成的SDIPDI-S，在以已報道的寬帶隙PDBT-T1作給體時，光伏器件效率最高達(dá)7.16%，在非富勒烯受體領(lǐng)域創(chuàng)下記錄。此后，PCE值不斷被刷新：Colin Nuckolls等報

43、道了H-PDI4，與PTB7-Th混合的太陽能電池效率高達(dá)8.3%。近期王朝暉課題組在原有設(shè)計合成的的SDIPDI-S基礎(chǔ)上將bay位引入的硫原子改變?yōu)镾e原子，采用寬帶隙的給體材料PDBT-T1，制備的光伏器件可達(dá)8.4%。對于PDI 的準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)的研究的報道主要始于2014年。2014年初，占肖衛(wèi)研究組報道了三苯胺為核的 “星型”小分子TPA-PDI3，基于PBDTTT-C-T:TPA-PDI3的器件效率也達(dá)到3.22%。Jen的課題組報道了四分子的PDI與四苯基硅烷耦合形成的受體分子TPC與常見的給體分子PBDTTT-C-T共混獲得轉(zhuǎn)化效率為3.54%的器件。香港科技大學(xué)的顏河等報道了基

44、于四苯乙烯的三維分子TPE-PDI4，基于PTB7-Th:TPE-PDI4的器件效率可達(dá)5.53%。1.3.3PDI分子的研究方向?qū)τ赑DI分子的進(jìn)一步優(yōu)化總結(jié)起來一共有兩點第一點是，改善其溶解性（結(jié)晶性），避免因形成較大的結(jié)晶而產(chǎn)生的（較大的）相分離（尺寸），在分子設(shè)計方面可以通過三種結(jié)構(gòu)修飾進(jìn)行改善，在活性層制備的方面可以選擇不同的溶劑和添加劑等方式進(jìn)行調(diào)整。第二點是，優(yōu)化器吸收光譜，PDI分子的主要吸收范圍在500nm到600nm，通過引入基團(tuán)拓寬PDI的吸收光譜，有效的提高對太陽能的利用率。1.4有機(jī)太陽能電池的展望1.4.1提高光電轉(zhuǎn)化效率為了能夠最大限度的提升器件的光電轉(zhuǎn)化效率，一

45、般會對以下幾個方面進(jìn)行改進(jìn)：對給受體材料的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾，調(diào)節(jié)其吸收范圍，使之盡可能與太陽光譜進(jìn)行匹配，同時盡可能提高其吸收系數(shù)。對于本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的器件，使其給受體形成納米尺度的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時保證給受體具有適宜的相分離尺度，保證電子和空穴在不同的相中進(jìn)行傳輸，提高載流子的遷移率。選擇合適的金屬電極，選擇合適的器件結(jié)構(gòu)。1.4.2提高器件壽命相比于無機(jī)太陽能電池長達(dá)25年的壽命，有機(jī)光伏太陽能電池現(xiàn)階段面臨的另一個重大的問題是較低的電池壽命以及苛刻的實驗條件。影響器件壽命的因素有很多，主要的原因是活性層的形貌隨時間變化以及水和氧對于活性層組分的氧化作用。其次還有陰極功函數(shù)的不穩(wěn)定，空穴傳

46、輸層PEDOT：PSS的酸性腐蝕等影響?，F(xiàn)階段的研究成果無法達(dá)到長時間在可見光下暴露，無法在空氣中保持較高的光電轉(zhuǎn)化效率。對于這一問題，現(xiàn)階段主要是如何有效的延長器件的壽命，一般來說從以下幾個角度進(jìn)行考慮：分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)以及其穩(wěn)定性，一般要求給體材料的HOMO 能級低于-5.2eV這樣可以有效的避免被空氣中的氧氣氧化。同時在制備和檢測過程中，需要對活性層進(jìn)行對于氧、水、灰塵等的封裝與隔絕保護(hù)，這些的物質(zhì)摻入會導(dǎo)致器件的電流密度大幅度下降。對于薄膜的形貌的穩(wěn)定性，由于有機(jī)光伏器件的核心是活性層，其中激子的分解為電子和空穴這一過程只能在給受體材料的界面進(jìn)行，對于薄膜形貌的穩(wěn)定性一般之和活性層的物理

47、性質(zhì)有關(guān)。在工作的過程中給受體兩界面具有相互分離成為大尺寸趨勢，而大尺度的相分離會影響器件的填充因子以及器件的效率。電極界面也會對器件的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，一般的陽極修飾，也就是空穴傳輸層都采用PEDOT：PSS，但是這一水乳液具有酸性，會腐蝕基片上刻蝕的ITO玻璃，增大器件的串聯(lián)電阻。同時陰極電極，像金屬鋁這類低功函數(shù)的材料，暴露在空氣中會被水和氧腐蝕大大降低器件的轉(zhuǎn)換效率。2 優(yōu)化新型PDI材料2.1實驗的主要目的本次實驗的主要目的有以下幾點：表征并優(yōu)化新型的苝酰亞胺衍生物受體材料。熟悉和掌握不同優(yōu)化手段對器件各個性能的影響，并探究其原因。進(jìn)一步優(yōu)化傳統(tǒng)的本體異質(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)，在界面層材料、加工

48、溶劑等方面有所創(chuàng)新。2.2有機(jī)太陽能電池的性能一般用電流密度-電壓（J-V）曲線來表示太陽電池的輸出特性，表征太陽電池性能的主要參數(shù)有三個分別是開路電壓VOC，短路電流Jsc或 Isc以及填充因子FF，接下來對著三個參數(shù)進(jìn)行簡單的介紹。（所使用圖要注明來源）開路電壓VOC OPV在光照的條件下正負(fù)極出現(xiàn)短路時的電壓，也就是OPV的最大輸出電壓，其單位通常為伏特（V），在BHJ結(jié)構(gòu)中，VOC與受體的LUMO能級和給體的HOMO能級的差值呈正相關(guān)，一般采用公式來表示，其中e表示基本電荷，其中兩能級差可以成為該D/A體系的有效帶隙，E表示的是自光電轉(zhuǎn)換過程中所產(chǎn)生的一種能量損失，而且在大多時候這一損

49、失在0.3eV左右。根據(jù)公式可以判斷在兩能級之差足以提供活性層足夠的驅(qū)動力使激子和電荷進(jìn)行分離的情況下，適當(dāng)?shù)奶岣呤荏w的LUMO能級或者適當(dāng)?shù)慕档徒o體的HOMO能級，在理論上都可以提高VOC，從而達(dá)到提高OPV效率。同時VOC也會器件的并聯(lián)電阻、活性層的形貌、界面偶極子以及電極功函數(shù)等因素發(fā)生變化。短路電流Jsc短路電流Jsc是指OPV在光照條件下正負(fù)極短路時的電流密度，也就是OPV的最大輸出光電流密度，常用的單位是mA/cm2。器件在0V所產(chǎn)生電流被稱為光生電路有，而高于V的部分是由于電極的注入所產(chǎn)生的電流，我們稱之為注入電流。入射的光強(qiáng)、器件活性層的光吸收能力以及器件的光電轉(zhuǎn)換效率等等都會

50、影響器件的短路電流。在進(jìn)行實驗的過程中，器件活性層在可見光區(qū)的的吸光范圍的擴(kuò)大，激子的產(chǎn)生效率的提高，D/A的界面上激子的分離效率提高，以及激子傳輸效率和電極表面的收集效率的提高都可以有效的改善器件的短路電流，一般來講，在實驗過程中，合理有效的提高器件的短路電流是器件制備中的關(guān)鍵。填充因子FF定義公式為 FF的大小取決于器件的J-V曲線的形狀，電荷遷移率、器件串、并聯(lián)電阻對其大小有很大影響。有效改善OPV的FF的方法有增大器件的并聯(lián)電阻，降低器件的串聯(lián)電阻、提高活性層材料的電荷遷移率，并使電子和空穴的遷移率達(dá)到平衡。2.3光伏材料需要的性質(zhì)（影響光伏性能的光電參數(shù)及物理性質(zhì)）根據(jù)能量傳化效率（

51、PCE）的計算公式PCE=VocJscFF/Plight，以及現(xiàn)階段已經(jīng)獲得的具有較好的轉(zhuǎn)換效率的器件，可以判斷選擇合適的材料（以本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行分析）的要求有以下幾個，包括給受體分子的吸收光譜，電荷載流子的遷移率，給受體的電子能級，混合物的溶解性以及膜的聚集以及形貌。吸收光譜 由于要保證最大限度的利用太陽能，因此要實現(xiàn)高的轉(zhuǎn)換效率，一般要求給受體材料的吸收光譜在可見-近紅外區(qū)有明顯的吸收峰，因為PCBM得吸收范圍主要在200350nm的紫外光區(qū)，而在350700nm的可見光區(qū)吸收較弱，因此PCBM 無法有效的利用太陽光。除了吸收峰要求與太陽光譜匹配之外，活性層材料的吸收峰寬度也是盡可能

52、的寬，這樣才能吸收更多的太陽光。目前在光伏材料的設(shè)計中，最先得到中是的是吸收峰的位置，其次是吸收峰的寬度。電荷載流子遷移率 在有機(jī)光伏太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換過程中，光伏材料吸收光子產(chǎn)生激子，激子擴(kuò)散到給/受體界面并在此界面上實現(xiàn)電荷分離產(chǎn)生電子和空穴，這個過程只完成了光電轉(zhuǎn)化的第一個過程。要使光生載流子能夠被正負(fù)電極收集并成為流入外電路的電子，還需要電子沿受體材料傳輸?shù)截?fù)極被電極收集，同時空穴沿給體材料傳輸?shù)秸龢O被電極收集，一般來講，產(chǎn)生的電子和空穴的傳輸越快越好，避免在傳輸過程中出現(xiàn)的電子與空穴的復(fù)合或者被陷阱所捕獲消耗能量，這種電子和空穴的復(fù)合以及被陷阱捕獲的概率與傳輸?shù)某收嚓P(guān)，與電荷載流

53、子的傳輸效率呈負(fù)相關(guān)。也就是說，在器件的制備過程中需要給體材料有優(yōu)良的空穴遷移率，受體材料有優(yōu)良的電子遷移率。同時要求給受體的遷移率相平衡，避免正負(fù)極上的空穴與電子不平和，降低電池的光伏性能。電子能級 給受體的電子能級匹配對于優(yōu)良的有機(jī)光伏器件十分重要，理論表明，為了保證激子能夠在給/受體的界面上有效的分離成空穴和電子，要求給體材料的LUMO能級和HOMO能級分別高于受體材料的LUMO能級和HOMO能級，同時由于激子在傳輸過程中有0.3eV到0.5eV的束縛能，能級差要可以克服電子的束縛能才能進(jìn)行傳輸，因此一般要求能級差要大于0.5eV。由于器件的開路電壓與受體材料的LUMO能級與給體材料的H

54、OMO能級的差值成正比，而理論上，器件的能量轉(zhuǎn)換效率與器件的開路電壓成正比，因此一般選擇這一差值大的給體材料和受體材料。一般來說，在保證激子可以有效分離的條件下，可以適當(dāng)?shù)奶岣呤荏w材料的LUMO能級或者降低給體材料的HOMO能級，以提高器件的開路電壓，從而提高器件的能量轉(zhuǎn)換效率。另一方面，材料的空氣穩(wěn)定性也于HOMO能級相關(guān)，一般來受體材料的HOMO 能級要低于-5.2eV時可以具有較好的空氣穩(wěn)定性。溶解性 因為本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的有機(jī)光伏太陽能電池的活性層溶液是由給體和受體共混制備而成的，因此采用的溶劑需是給體材料和受體材料的良溶劑，同時也要保證兩材料在該溶液有良好的成膜性。聚集（結(jié)晶性） 有機(jī)

55、光伏太陽能電池活性層的給體材料和受體材料的納米相分離尺寸以及兩材料形成的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都對器件性能有重要的影響，給體材料和受體材料的適度聚集可以增強(qiáng)活性層對太陽光的吸收并且提高載流子的遷移效率。但是過度聚集會影響互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，并且聚集尺度超過10nm的情況下，激子無法達(dá)到給受體材料的界面表層。因此給體材料和受體材料在活性層中需要有合適尺寸的相分離以及形成優(yōu)化的互傳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。2.4實驗采用的儀器和試劑2.4.1實驗中采用的儀器本次實驗中采用的主要儀器如表設(shè)備名稱型號生產(chǎn)廠家ITO導(dǎo)電玻璃片15深圳華南湘城科技有限公司 電子分析天平天平XPE105METTLER TOLEDO旋涂儀（勻膠機(jī)）K

56、W-4A中科儀器UV-臭氧清洗儀42-220Jelight磁力攪拌器IKA C-MAG HS 7 IKAMAGIKA手套箱Lab 2000ETELUX高真空蒸鍍儀北京市凱瑞有限公司太陽光模擬器Model 94063AOriel太陽能外量子效率測試儀QEX-10北京市凱瑞有限公司超聲清洗儀Branson 5800Branson AFM2.4.2實驗中采用的試劑本次實驗中采用的主要儀器如表名稱生產(chǎn)廠家分子式規(guī)格PEDOT：PSSALDRICHClevios P VP.AI4083無水乙醇Sigma- ALDRICHC2H6OAR無水甲醇Sigma- ALDRICHCH3OAR氯苯Sigma- AL

57、DRICHAR二氯苯Sigma- ALDRICHAR氯仿Sigma- ALDRICHAR二碘辛烷Sigma- ALDRICHAR二苯醚Sigma- ALDRICHARP3HT3-己基噻吩99%PCBMC71-丁酸甲基酯99%Al北京中金研新材料科技有限公司99.999%2.5實驗的主要過程2.5.1實驗的具體過程清洗刻蝕有ITO的透明薄玻璃，主要是為了去除玻璃表面的油脂灰塵等雜質(zhì)。用表面活性劑（洗滌劑）水溶液超聲清洗，20min，用沾有表面活性劑水溶液的棉簽擦拭刻蝕有ITO的一面，盡可能的去處其表面的油脂以及附著物；用清水超聲30min，去除可能附著在玻璃表面的表面活性劑；用去離子水超聲兩次，

58、一次20min；用丙酮超聲20min，以清楚洗滌劑尚未完全出去的有機(jī)物以及油脂；最后用異丙醇超聲20min，并在110的烘箱內(nèi)過夜。紫外光臭氧機(jī)（UVO）中預(yù)處理，用壓縮氮氣清潔紫外光臭氧機(jī)，放入烘干的基片，臭氧25-30min，解離ITO表面可能殘留的有機(jī)物，可以進(jìn)一步清潔ITO表面并且優(yōu)化ITO 的功函數(shù)。一般來講在臭氧的過程中可以準(zhǔn)備實驗過程中所需的表面皿等儀器。在空氣中旋涂空穴傳輸層，空穴傳輸層采用PEDOT：PSS水乳液，旋涂的要求是：用臺式勻膠機(jī)以4000rmp旋涂40s（或者30s），該過程中對于滴加的PEDOT：PSS沒有量的要求，只需保證懸涂的薄膜可以覆蓋整個ITO玻璃即可，

59、對于PEDOT：PSS水乳液需要通過針筒式濾膜過濾器進(jìn)行過濾，避免在ITO薄膜上形成點狀的缺陷，旋涂PEDOT：PSSDE水乳液修飾層的主要目的是為了平整ITO電極基片的表面缺陷，避免由于內(nèi)部電流過大而造成的器件短路，可以提高和穩(wěn)定正極的功函數(shù)。高溫退火，去除PEDOT：PSS水乳液中的溶劑，一般在通風(fēng)櫥內(nèi)，采用140-150條件下退火10min，一般來講有機(jī)光伏器件是無水無氧的條件下進(jìn)行的，因此除盡水乳液中的溶劑水十分重要。將旋涂有空穴傳輸層的ITO玻璃傳送入手套箱，在手套箱氮氣保護(hù)的條件下用臺式勻膠機(jī)旋涂活性層，一般來說活性層旋涂的時間和轉(zhuǎn)速等條件取決于活性層的給受體材料。旋涂的轉(zhuǎn)速，是否

60、進(jìn)行高溫退火以及退火的時間和溫度都是進(jìn)行器件的效率優(yōu)化的主要方法（活性層溶液的配制一般需要提前一天進(jìn)行，攪拌一夜以保證其溶解充分）。在手套箱內(nèi)旋涂陰極修飾層乙酰丙酮鋯（ZrAcac），旋涂的方法是用臺式勻膠機(jī)以3500rmp的轉(zhuǎn)速旋涂60s。用鑷子將側(cè)邊電極覆蓋的傳輸層和活性層層刮除，裸露出基片，寬度與蒸鍍的模具相近，過細(xì)容易導(dǎo)致鋁電極無法有效的蒸鍍，過粗容易倒是第一個電極的活性層受損，無法形成閉合回路，在其上蒸鍍的金屬電極在后期檢測的過程中將用作器件的正極接線端。將ITO玻璃片送入蒸鍍箱進(jìn)行蒸鍍納米負(fù)極金屬，常見的負(fù)極金屬有金屬Al，Mg等，實驗過程中采用金屬鋁，一般蒸鍍上的納米負(fù)極金屬鋁的